微小水滴撞击深水液池空腔运动及气泡夹带机理的数值模拟研究

论文摘要

水滴撞击液池表面的运动作为传统流体力学中最广为人熟知的经典流动现象之其附随现象丰富多样,涉及面广,运动过程十分复杂。水滴撞击液面在科技应用和自然环境中广泛存在,在航空航天工程、喷墨印刷、农业灌溉和水利工程结构侵蚀等方面有诸多基础研究及工业应用。因此,对水滴冲击液面的研究不仅能够深入了解自由表面流动问题的机理、改善生物的自然生存环境,还对于理解气液流动的界面变形、改善液滴运动在工业工程、化学工程中的应用以及对气-液两相射流的高精度数值模拟有着重要的意义与价值为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理,本文采用不可压缩Navier-Stokes方程、四叉树自适应网格技术和VOF方法,首先对直径为290μm的正圆形微小水滴在重力的作用下以2.5～6.5m/s的速度撞击深水液池的运动进行数值模拟研究,以率定后的数值模型考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波传播、空腔变形规律以及气泡截留过程,并深入探究空腔运动的动力学机制。研究结果表明,不同撞击速度下,在忽略毛细波作用、空腔深度h∈（d,hmax）的前提下,空腔深度随时间的成长仍满足t ∝h5/2的关系;液滴撞击产生的空腔形状有U形和半球形两种,前者一般向V形转变,后者空腔底部会变为圆柱形,产生细长射流,并有可能发生气泡截留现象;在撞击速度较低时,低压区首先在空腔侧壁与底部交界处产生,随后在靠近液面以及空腔底部靠近中心区域各产生一个较大的涡环;在撞击速度较高,产生细长射流时,涡环的生成被抑制,低压区首先在波浪底部与侧壁上交界处产生,随后空腔底部变为圆柱状,空腔侧壁首先坍塌形成气泡截留在微小水滴撞击深水液池的过程中,水滴在运动状态、表面张力及周围介质等多方面的作用下产生的外形震荡对后续空腔产生及气泡夹带有极大影响。基于此,本文假定五种不同宽高比的微小变形水滴,对其撞击深水液池的运动过程、气泡夹带以及涡环的发展进行了数值模拟,并详细研究了不同撞击速度和水滴形变对撞击后空腔变形坍缩过程、毛细波运动以及气泡截留的影响。研究结果表明,在较低撞击速度下,不同形变的水滴并未引起显著的气泡夹带现象与空腔形态改变;而在较高撞击速度下,宽高比AR=1.33下的长椭圆形变水滴与液池发生完全聚合现象,并产生大型气泡夹带现象。大型气泡截留过程主要由水滴撞击深水液池时颈部自由表面下产生的涡环控制,涡环拉动自由界面之前,在液池中垂向移动较深,其后裹挟空腔上部界面形成滚动射流,最终射流接触并坍缩以夹带大型气泡。在气泡截留后期,空腔内的气体涡旋推动空腔侧壁不断向外侧拓展,有效增大了气泡夹带的横向体积,对大型气泡夹带起到了至关重要的作用。在撞击初期阶段,液滴形状越扁,颈部射流越大,撞击初始水滴与液池颈部产生的射流曲率越大,生成涡环强度就越大。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 裴传康

导师: 魏炳乾

关键词: 水滴,深水液池,空腔运动,气泡夹带,数值模拟

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,地球物理学,水利水电工程

单位: 西安理工大学

基金: 国家自然科学基金(编号:51479163,11605136)

分类号: TV131;O35

总页数: 83

文件大小: 8472K

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