多液滴冲击薄液膜流动与传热三维数值模拟研究

论文摘要

液滴冲击现象中流动与质热交换过程一直是学术界研究热点,对冲击过程中特殊现象与作用机理的深入探索有助于提高相关工业应用水平,例如喷雾冷却、农业灌溉、冶金冶炼、航天航空和电子设备等,也可为此类工业技术发展提供重要的理论依据。相比于单液滴,多液滴冲击更靠近实际工业过程,液滴之间、液滴与液膜之间的复杂相互作用已开始引起学者关注。本论文采用三维数值模拟方法,对多液滴冲击薄液膜过程中的流动与传热问题进行系统、深入研究。首先,针对绝热条件下不同空间排布多液滴冲击薄液膜过程进行了研究,包括同步冲击、连续冲击和异步冲击。建立了三维计算模型,采用水平集-流体体积法捕捉两相自由界面,以动量源项的形式添加了符合高斯分布的随机扰动模型。通过与实验结果比较,验证了界面捕捉方法与扰动模型的可靠性。对多液滴同步冲击薄液膜时中间薄膜射流生成与破碎机理进行了解释,讨论了不同参数对中间薄膜射流高度的作用。多液滴连续冲击过程中,根据运动间断理论对二次冠状水花未发生飞溅现象进行了解释,观察到了一次冠状水花与二次冠状水花相接触后出现的小气泡夹带现象。定量分析了不同参数对一次冠状水花尺寸的影响。多液滴异步冲击薄液膜的研究中,发现液滴与射流相接触后出现较大尺寸的气泡夹带现象,着重分析了薄膜射流的破碎机理。其次,针对多液滴冲击过程中单相传热问题进行了研究,发现冲击区域内局部单相传热系数明显高于未受扰动区域,说明液滴冲击使对流传热增强。冠状水花底部与中间薄膜射流底部在液滴冲击过程中会出现传热盲区。通过分析多液滴连续冲击过程中截面温度分布,揭示了残余液膜内流场与温度场耦合效应对对流传热的增强作用。分别讨论了两种冲击方式条件下,热流密度、液滴间距、韦伯数对局部传热系数与壁温的影响。最后,针对多液滴冲击过程中两相传热问题进行了研究,在饱和温度下液膜底部布置核化气泡,揭示了气泡在同步冲击过程中的一系列运动与变形现象。结果表明,蒸汽气泡的分布方式对冲击过程界面演变与传热系数的分布影响较小,但对气泡附近三相接触区传热系数峰值影响较大。发现减小接触角有助于蒸汽气泡快速脱离加热表面,从而提高相变对流传热强度。探讨了液滴间距对于连续冲击过程中局部传热量的影响,并总结出局部传热量变化的相关规律。

论文目录

摘要

abstract

主要符号表

1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 单液滴冲击相关研究进展

1.3 绝热条件下多液滴冲击的相关研究

1.4 传热条件下多液滴冲击研究进展

1.5 多液滴冲击研究的不足

1.6 本文主要研究内容

2 多液滴冲击薄液膜数值方法及验证

2.1 物理数学模型

2.1.1 物理模型

2.1.2 控制方程

2.1.3 高斯随机分布扰动模型

2.2 界面捕捉方法

2.2.1 VOF方法

2.2.2 Level-set方法

2.2.3 CLSVOF方法

2.3 计算网格

2.3.1 网格自适应

2.3.2 网格无关性检验

2.4 计算结果与实验对比

2.5 本章小结

3 多液滴冲击薄液膜流动特性数值研究

3.1 多液滴同步冲击薄液膜计算结果与分析

3.1.1 物理模型与边界条件

3.1.2 中间薄膜射流生成及破碎机理

3.1.3 中间薄膜射流高度

3.2 多液滴连续冲击薄液膜计算结果与分析

3.2.1 物理模型与边界条件

3.2.2 多液滴连续冲击薄液膜界面演变过程

3.2.3 一次冠状水花直径与高度

3.3 多液滴异步冲击薄液膜计算结果与分析

3.3.1 物理模型与边界条件

3.3.2 多液滴异步冲击薄液膜过程动力学分析

3.4 本章小结

4 多液滴冲击薄液膜单相传热数值研究

4.1 多液滴同步冲击薄液膜单相传热

4.1.1 多液滴同步冲击薄液膜界面演变与场量分布

4.1.2 局部传热系数与壁温

4.2 多液滴连续冲击薄液膜单相传热计算结果与分析

4.2.1 多液滴连续冲击薄液膜界面演变与场量分布

4.2.2 局部传热系数与壁温

4.3 本章小结

5 多液滴冲击薄液膜相变传热数值研究

5.1 不同气泡排列方式对冲击过程的影响

5.2 多液滴同步冲击薄液膜相变传热

5.2.1 同步冲击条件下蒸汽气泡运动规律

5.2.2 局部传热系数与传热量

5.3 多液滴连续冲击薄液膜相变传热

5.3.1 连续冲击条件下液滴间距对蒸汽气泡运动和温度场的影响

5.3.2 局部传热量分布

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张天宇

导师: 梁刚涛

关键词: 液滴冲击,多液滴,流动特性,传热

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,动力工程

单位: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金项目(批准号:51876025,51506023),中央高校基本科研业务费(DUT19JC10)

分类号: TK124;O353.4

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.001480

总页数: 80

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