气溶胶抛撒过程中首次破碎液滴的尺寸分布

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1、计算物理第27卷第6期Vo1．27．NO．62010年11月CHINESEJ0URNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSNOV．，2010文章编号：1001—246X(2010)06-0847—07气溶胶抛撤过程中首次破碎液滴的尺寸分布石艺娜，洪滔，秦承森(北京应用物理与计算数学研究所，北京100094)摘要：对气溶胶爆炸抛撒过程中，首次破碎液滴的尺寸分布进行理论和数值研究．基于热力学第二定律的最大熵增理论，建立首次破碎过程满足的方程组约束条件，给出破碎后液滴尺寸分布的确定方法，并对Air—blast喷管实验和Samirant相关实验

2、进行数值模拟预测，与实验数据符合较好．关键词：气溶胶；首次破碎；抛撒液滴；尺寸分布中图分类号：0389文献标识码：A0引言气溶胶液体抛撒破碎形成液雾是爆炸力学中一个具有广泛军事和民用背景的研究领域，也是云爆类武器形成空气一燃料炸药的关键过程．由于抛撒时问短、过程复杂，详细的云雾内部参数很难以实验方式获得．其中，液体的首次破碎，即近场喷射阶段是抛撒过程雾化的开始，实验观测尤为困难，成为该课题研究中的第一个难点和关键．近年来，国内外学者根据不同的应用背景，对液体燃料抛撒首次破碎的机理作了大量工作．如法国Samirant等利用多种测试技术开展的燃料液体

3、爆炸抛撒瞬态过程实验，测量了燃料速度、液滴平均直径、运动速度以及浓度、汽化等重要参数；蔡庆军等所做的轴对称液环抛撒实验，以及胡栋等使用纹影技术的首次破碎实验表明，液体表面的不稳定性是造成液环破碎的主要原因；郭学永等分析了燃料爆炸抛撒初期的射流喷射量；李磊等水平约束爆炸抛撒实验显示，壳体装置破裂后，液体是以交叉的树枝状、液滴、液膜或液体丝等形态向外分散，随后逐渐破碎成小液滴．依据破碎前不同的流动状况，气溶胶液体的首次破碎模式呈多样化，其主导模式及破碎后液滴分布等信息，尚无法依赖实验获得．目前，理论研究的一个探索途径是分析各类特殊实验结果，探讨其中的

4、共性．近2O年来，由于实验条件的制约，对于首次破碎液滴分布的理论预测和评估研究受到了普遍关注．对于破碎液滴的尺寸大小，最简单的是给出其加权或平均直径，其中应用较普遍的有算术平均直径D表面积平均直径D：。、体积平均直径D。和Sauter平均直径等．由于首次破碎过程产生的液滴具有随机性，大小不均匀，尺寸变化较大，仅采用平均直径的概念很难描述整个流动过程，需要得到液滴的尺寸分布，或者液滴直径分布的概率密度函数，这不仅是分析首次破碎和雾化等实际过程的重要参数，也是在计算流体力学程序中，进一步模拟二次破碎和雾化过程所必须提供的初始条件．目前，大多数研究仍采

5、用基于实验数据拟合的经验函数形式，比较著名的有Nukiyama—Tanasawa分布、Rosin-Rammler分布、Rosion—Rammler修正分布和上限函数分布等；另一种是采用理论公式，如正态Gauss分布、对数正态分布等形式，但都缺乏实际的物理意义．近年来，最大熵分布在许多领域中由于预测相对准确而得到普遍应用，Sellens和Li最先将信息熵的概念引入液滴喷雾过程，采用最大熵原理得到了相对准确的预测结果；其他学者还研究了液体射流发生Rayleigh断裂后，形成液滴的双峰尺寸分布，以及次级小液滴的影响等．严格意义上讲，最大熵原理是基于热力

6、学平衡的孤立系统建立的，与实际液滴形成和雾化过程为非孤立的、不可逆系统的条件是不一致的；Li等进一步提出了基于热力学第二定律的最大熵增理论，并且在某些领域得到了较好的应用．收稿日期：2009—10—16；修回日期：2010—04—13基金项目：国家自然科学基金和中国工程物理研究院联合重点基金(10676120)，国家青年科学基金(10902017)及中国工程物理研究院科学技术发展基金面上项目(2008B0402044)资助项目作者简介：石艺娜(1974一)，女，山东东营，博士，副研究员，从事爆炸和冲击动力学数值研究，北京海淀区丰豪东路2号1000

7、94．通讯作者计算物理第27卷本文从热力学第二定律的最大熵增理论出发，将其应用于爆炸抛撒气溶胶首次破碎液滴的形成问题，建立了理论模型，结合Air．blast喷管实验和Samirant⋯立式爆轰管实验数据，对首次破碎后的液滴尺寸分布进行数值模拟和验证，并给出了Samirant⋯燃料爆炸抛撒实验液滴尺寸分布的理论预测结果．1气溶胶首次破碎液滴尺寸分布的理论建模根据热力学第二定律，在某一控制体内的熵增可以写为控制体内熵增=流人熵一流出熵+熵产生项．对于气溶胶抛撒过程，我们将液体发生首次破碎到液滴形成的整个区域作为一个控制体，则这一控制体内的熵增可以表示

8、为dS=(s)。一(s)：+⋯+专，(1)其中下标“1”为液体层破碎前状态statel，下标“2”表示破碎后的液滴状态state2．对于