两相格子Boltzmann方法的液滴冲击流动液膜数值模拟-论文.pdf

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1、第14卷第15期2014年5月科学技术与工程Vo1．14No．15May20141671—1815(2014)15—0005—05ScienceTechnologyandEngineering⑥2014Sci．Tech．Engrg．力学两相格子Boltzmann方法的液滴冲击流动液膜数值模拟贾晓东刘永文(上海交通大学机械与动力工程学院，动力机械与工程教育部重点实验室，上海200240)摘要基于最新的两相格子Boltzmann模型(Lee模型)在数值方法上进行了改进，进一步提高了模型在大密度比下的数值稳定性。基于改进后的模型首先研究了二维液滴冲击静止液膜，计算

2、得到的溅射根部铺展半径与实验结论一致吻合，从而验证了改进后模型的正确性。进一步数值模拟了液滴冲击流动液膜的溅射过程，考虑了不同的液膜液滴速度比和液膜相对厚度对流动过程的影响。计算结果与冲击静止液膜的计算结果和实验结论进行了对比，总结了溅射过程中溅射铺展半径和溅射高度随时间的变化规律，论述了流动现象产生的内在机理。关键词格子Boltzmann方法两相流液滴冲击大密度比中图法分类号0352；文献标志码A液滴冲击液膜是工业设备中常见的流动现象，定性的制约，这些文献考虑的两相密度比较小，且无如发动机中的燃油喷射和雾化、喷淋冷却、喷墨打印法适用于液滴对流动液膜的冲击。

3、等。对该问题的研究有如下几方面意义：①优化工本文首先对Lee等在2010年提出的两相格业设备的设计，提高设备效率；②由于液滴冲击液膜子Boltzmann模型在数值方法上提出了改进，进一是复杂的两相流问题，研究该问题可以深入了解自步减小了伪势速度从而提高了模型的数值稳定性，由表面流动的本质，对模拟自由液面提供指导；是进并在两相密度比为1000的条件下模拟了液滴冲击一步研究该过程传热传质机理的基础，具有重要的流动液膜问题。进一步分析了不同因素对冠状溅射学术意义和工程价值。行为的影响，总结了溅射高度和水花铺展半径随时液滴撞击固体表面液膜过程伴随着大变形构、问的变化

4、规律。液滴飞溅、反弹和水柱跃起等复杂流动现象，大量学1Lee模型和差分格式者对该过程进行了理论、实验和数值研究¨～。研究表明：①溅射过程中的惯性和表面张力起重要作1．1基本理论用，而重力影响可忽略¨；②溅射过程受液滴直径、Lee模型基本演化方程为一一冲击速度、壁面液膜厚度、表面张力等影响较+大¨。目前有关该问题的数值研究多是基于单相=_(+e，+8)=(，)一【．，自由面模型，如：VOF方法和单相格子Bohzmann方8MV厂。(M))+法等。此类模型多存在界面重构复杂，或者易产肘。)(1)生数值破碎等问题。与之相比，两相格子Bohzmann3tFCD(2)

5、方法(LBM)无需跟踪和重构相界面。另外由于其+一2微观本质和介观特点，研究多相流动问题物理意义h一2=h2一t~tFCD(3)清晰，且便于耦合温度场和相变模型进一步研究相2应的传热传质过程。基于两相LB模型已有一些文献研究了液滴冲击静止液膜，然而受到数值稳帅++一]u，(4)一2013年12月5日收到，2014年1月2日修改一第一作者简介：贾晓东(1986一)，男，河南南阳人，硕士研究生。研=卜+究方向：气液两相流。E-mail：dreamheater2008@gmail．com。Fl⋯(5)6科学技术与工程14卷~tF(6)nVcDAl([一A(+2e)

6、+8A(+e)一gn：g++—一一一2C％D13]，)c～8A(—e)+A(一2e)]／12~tFCD=g一(7)(17)2eV。。Alf)=[一A(+2e)+6A(x+e)一．g一{p+[+一】)(8)3A()一2A(一2e)]／6(18)eavMDA)=(evBDA)+evCDA))／2式(8)中g和h为分别为压力分布函数和组分分(19)布函数。和分别为平衡态分布函数。r为松弛相应的偏导数计算为：时间，为通流系数(mobility)，其中／z=tZo一，(V2p，。代表化学势。F和F分别指ot方向的作用力V(20)，项，t为Ol方向的权系数：V(21)F

7、^=(e一u【VC一‘+C)J厂(“)(9)，F=(e一u){Vpc[，()一厂(0)]+数值实验表明在作用力项中采用上述的高阶差txVCF(u)}(10)分格式可进一步提高模型的数值稳定性，并成功在作用力项的上标CD表示式中梯度项采用中心差分模拟液滴冲击运动液膜中得到应用。且采用文献格式，MD表示梯度项采用混合差分格式。式中P[7]中的计算参数模拟二维静态液滴时在t=10时指热力学压力，c表示组分数。宏观参数恢复为：刻，最大伪势速度为2×10一，远小于相同时刻下文献[7]中的5×10。C=∑+(11)12计算模型及结果分析一eg+VCDC(12)2．1计算

8、模型p=∑g0+等MVCDp(13)本文计算模型如图