低韦伯数非牛顿射流撞击破碎直接数值模拟.pdf

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1、航空学报Aug252017V01．38No．8ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．educnhkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／S1000—6893．2017．120764低韦伯数非牛顿射流撞击破碎直接数值模拟朱呈祥，陈荣钱，尤延铖*厦门大学航空航天学院，厦门361005摘要：非牛顿射流的撞击破碎在液体火箭推进系统中被广泛用于燃料的喷注雾化，然而人们对其破碎物理机制却知之甚少。本文将采用基于液体体

2、积法的直接数值模拟(DNS)工具，研究夹角为90。的2个等直径低韦伯数射流撞击现象，并分析二者形成的单一对角射流特征及其破碎机理。研究结果表明，撞击形成的单一对角射流直径较原射流直径大1．66倍，并在头部形成液滴诱导破碎的发生。除了头部破碎，在对角射流的发展过程中还观察到一类液柱破碎，表现为射流表面不稳定波不断发展形成新的弯曲波破碎，并产生卫星液滴及液滴的融合。伴随两股射流撞击的发生，气液两相交界面的面积也不断减小，同时，射流内部的黏性也不断变化，在本文的低雷诺数和低韦伯数条件下，流体内部黏性系数变化超过10％。关键词：撞击破碎

3、；非牛顿流体；对角射流；直接数值模拟；低韦伯数中图分类号：V231．2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)08—12076409液态射流撞击破碎在液体火箭推进系统中被广泛采用，由于破碎品质直接决定了燃料的燃烧效率，因此越来越多的国际学者开始关注这一基础技术问题。在瑞利最早将射流破碎提炼成科学问题以来，已经出现诸如Lin和Reitz[1]、Eggers和Villermaux∽J、Gorokhovski和HerrmannE3]等高引用率的综述文章。在涉及非牛顿射流撞击破碎的具体工作方面，德国宇航中心Ciezki等H

4、1从2001年开始就一直参与GGPT(GermanGelPropulsionTechnology)项目，并于2014年对整个项目工作进行了总结。Ciezki等通过对实验结果的分析将剪切稀化非牛顿流体的撞击破碎模态分为6类：射线型(Rays—shaped)、边缘液滴型(Rimwithdropletseparation)、无边缘型(Rim—lessseparation)、液丝型(Ligamentstructure)、完全破碎型(Fullydeveloped)和颗粒状射线型(Granularrays—shaped)。而美国辛辛那提大学

5、的Lee等[53则在实验基础上将剪切稀化非牛顿流体的撞击破碎概括为4种模态：预膜片型(Presheetformation)、射线型(Ray—shaped)、液丝型(Ligamentstructure)和完全破碎型(Fullyturbulent)。在国内，北京航空航天大学[6]、西安航天动力研究所口]、灭津大学[8]、西北工业大学凹]和南京理工大学[1叩等单位也在开展大量实验工作，但可以说，人们对非牛顿流体的撞击破碎机理仍未形成统一认识，主要是因为现有的实验手段无法深入流体内部去分析其非牛顿黏性在整个射流破碎过程中的变化及所起的作

6、用。因此，佐治亚理工大学的Ma等口阳尝试利用数值方法开展非牛顿射流撞击破碎的研究，然而结果不是很理想，射流表现出较明显的非物理性，他在界定无量纲参数时也并未考虑流体的非牛顿黏性特征。第收稿日期：2016—09—08；退修日期：2016-11—21；录用日期：2017-01-11；网络出版时间：2017-03—2014：38网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929V．201703201438002htmI基金项目：国家自然科学基金(51606161，91441128)；中央高校基本科研业务费专项资

7、金(20720170055)；福建省自然科学基金*通讯作者．E-mail：yancheng．you@xmu．eduon引用格式：朱呈祥，陈荣钱，尤延铖．低韦伯数菲牛顿射流撞击破碎直接数值模拟[Jj航空学报，2017．38(8)：120764．ZHUCX．CHENRQ．YOUV0．Directnumericalsimulationofimpingingjetbreakupwithnon—NewtonianpropertiesatlowWebernumber!∞iActaAeronauticaetAstronauticaSinica

8、．2017．38(8)：120764航空学报二炮兵工程大学的强洪夫等口21则利用光滑粒子流体动力学方法开展射流撞击研究，但该方法对射流撞击形成液膜至液膜破碎形成液滴的过程却无法捕捉，方法的计算精度、稳定性和效率也有待提高。本文将采用课题组自主开发的直接数值模拟(