二甲醚闪急沸腾液滴破碎过程数值研究

论文摘要

在闪急沸腾喷雾中,气泡的形成、生长及其破碎对燃油液滴的雾化过程有重要影响。为深入研究闪急沸腾喷雾的机理,本文对过热燃油闪急沸腾喷雾中的气泡生长和液滴破碎过程进行了深入的理论研究和数值模拟。本文在一维气泡生长模型的基础上,根据气泡表面热边界层处温度分布的定性分析,构建了一个简化的气泡生长模型。并分别利用过热水中气泡生长的实验数据和二甲醚(DME)一维气泡生长模型的计算数据对简化模型的有效性进行了验证,结果表明,简化气泡生长模型不仅保持了一维气泡生长模型的精度,还使计算成本大大降低。利用该模型对过热条件下二甲醚气泡的生长过程进行了数值模拟,重点研究了物性参数和系统的初始状态对二甲醚气泡生长过程的影响,研究表明,根据气泡生长的加速度曲线,可将二甲醚气泡的生长过程分为表面张力控制阶段、过渡阶段和传热控制阶段。在表面张力控制阶段,气泡的生长主要受表面张力的影响,在传热控制阶段,气泡的生长主要受热扩散系数的影响,而在过渡阶段,气泡生长则同时受表面张力和热扩散系数的影响。为研究闪急沸腾条件下,气泡的形成和生长对液滴破碎过程的影响,本文建立了气泡/液滴系统。根据气泡/液滴系统中的相对运动,将气泡/液滴系统的破碎归功于气动不稳定性和气泡的不稳定生长,在不考虑这两种破碎模式的耦合效应的前提下分别建立了这两种破碎方式的数学模型。为研究气泡/液滴系统的气动破碎过程,对原始的TAB模型进行了修正,结果表明,在气动力导致的破碎中,气泡的存在使得系统的不稳定性增强,气泡的体积分数越大,系统的形变越快,系统越不稳定,系统的破碎时间随气泡体积分数的增大而减小,且破碎后子液滴的半径随气泡体积分数的增大而显著下降。为研究气泡的不稳定生长对气泡／液滴系统破碎的影响,利用线性不稳定性分析法推导了气泡生长不稳定性的色散方程。研究表明,气泡／液滴系统的扰动增长速率主要由气泡的Weber数和气泡／液滴体积比决定,气泡的Weber数和气泡／液滴体积比越大,扰动增长速率也越大,系统越不稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 闪急沸腾喷雾的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 气泡生长的理论基础及数学模型
• 2.1 气泡生长的理论基础
• 2.2 一维气泡生长模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 数值方法
• 2.2.3 二甲醚热物性参数的计算
• 2.2.4 计算结果与分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 气泡生长简化模型的分析与推导
• 3.1 热边界层厚度的估计
• 3.2 多项式的温度分布函数
• 3.3 数值求解方法
• 3.4 结果与分析
• 3.4.1 有效性验证
• 3.4.2 速度扰动对气泡生长过程的影响
• 3.4.3 Rayleigh方程中的各项在气泡生长过程中的变化
• 3.4.4 气泡生长的三个阶段
• 3.4.5 物性参数对DME气泡生长的影响
• 3.4.6 系统初始状态对气泡生长过程的影响
• 3.4.7 不同过热液体中的气泡生长
• 3.5 本章小结
• 第4章 二甲醚闪急沸腾液滴破碎机理研究
• 4.1 流体流动不稳定性的概念和研究方法
• 4.2 流动不稳定性和二次破碎的研究现状
• 4.3 气动力破碎
• 4.4 气泡的不稳定生长导致的破碎
• 4.5 结果与分析
• 4.5.1 气动力破碎
• 4.5.2 气泡的不稳定生长导致的破碎
• 4.6 本章小结
• 第5章 全文总结及展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献