约束喷射沉积过程中雾化气流场的模拟研究
空气辅助雾化喷嘴的数值模拟研究
空气辅助雾化喷嘴的数值模拟研究刘海军;宋来武;吴华【摘要】基于欧拉-拉格朗日两相流模型,数值模拟研究了一种带有螺纹通道的空气辅助雾化喷嘴的雾化过程.分析了喷嘴内空气流动特性和雾化场中的雾化特性,结果表明喷嘴内空气速度、压力和温度等参数随着流动截面变化时会发生剧烈变化,并在喷嘴出口处达到超音速状态,雾化场中雾滴具有较大的轴向速度和较小的径向速度,雾滴直径分布均匀,雾化效果良好.【期刊名称】《节能技术》【年(卷),期】2015(033)003【总页数】5页(P207-210,215)【关键词】空气辅助;雾化;欧拉-拉格朗日;数值模拟;硝酸铀酰【作者】刘海军;宋来武;吴华【作者单位】中国核电工程有限公司,北京100840;中国核电工程有限公司,北京100840;中国核电工程有限公司,北京100840【正文语种】中文【中图分类】TH133;TP183利用核能发电是性价比高、碳排量低的新型发电方式，是化石能源和水力资源之后的世界第三种主要能源。
核燃料在发电过程中会慢慢裂变，以致无法使用，出于节能经济性和减少污染排放的要求，对核燃料进行后处理和循环利用尤为重要。
在已经确定的水法后处理中，铀以硝酸铀酰水溶液的形式被回收，浓缩的硝酸铀酰溶液在流化床中脱硝生成三氧化铀，进一步还原生成二氧化铀，然后转变成四氟化铀，最后还原成金属铀循环使用［1］。
硝酸铀酰水溶液的雾化能够使液料形成尺寸均匀，颗粒直径小的液雾，以增加硝酸铀酰水溶液与流化气和流化底料之间的接触面积，提高反应速度。
由于硝酸铀酰水溶液粘度较大，因此适合雾化高粘度液体的空气辅助雾化喷嘴是其常用的雾化设备之一。
空气雾化喷嘴具有很多突出特点，在较低的油压下可以获得良好的雾化效果，尤其是对雾化高粘度的液体有很好的雾化质量，流量调节范围广，且能在较大的燃油流量范围内得到良好的雾化质量，因此它在石油、化工、电力等众多领域应用广泛［2－4］。
国内外许多学者对其进行了大量研究［5－9］。
旋流式进料喷嘴实验与流场结构数值模拟
旋流式进料喷嘴实验与流场结构数值模拟黄启龙;李进贤;郑亚;朱国强;赵思珍【摘要】针对旋流式催化裂化进料喷嘴进行了实验研究和数值模拟。
实验中测量了不同工况下的雾化粒径和喷嘴的雾化角，同时验证了各段的压降分配方案。
通过VOF（ volume of fluid）方法对喷嘴气液两相流的流动过程进行了数值模拟，描述了喷嘴中两相流的填充过程，得到了喷嘴的压力、速度分布和雾化角，并与实验结果进行了比较，二者吻合较好。
对上述结果分析后表明，该型旋流式喷嘴雾化粒径在53～60μm，雾化角随气液比或流量的增大而有所增加，采用内外嵌套式旋流器可使射流厚度较为均匀。
%Experiments on and numerical simulation of a swirl fluid catalytic cracking ( FCC ) feed nozzle were presented. In the experiments, the spray angle and sauter mean droplet ( SMD) were measured at different flow rates. Then pressure drop on each section of nozzle was verified. Volume of Fluid ( VOF) method was used to simu⁃late the gas⁃liquid flow process in a swirl FCC feed nozzle. The simulation exhibited the process of two⁃phase flow filling feed nozzle. The nozzle pressure, velocity distribution and spray angle were calculated;the calculated results agreed well with validated by experimental data. The results show that: the SMD size of feed nozzle is 53⁃60μm;the spray angle increases with increasing gas/liquid mass ratio or flow rate;the spray pattern is fairly evenly distrib⁃uted within combined cyclone.【期刊名称】《西北工业大学学报》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】7页(P388-394)【关键词】催化裂化;喷嘴;流场;两相流;雾化粒径;VOF方法【作者】黄启龙;李进贤;郑亚;朱国强;赵思珍【作者单位】西北工业大学航天学院，陕西西安 710072;西北工业大学航天学院，陕西西安 710072;西北工业大学航天学院，陕西西安 710072;西北工业大学航天学院，陕西西安 710072;中国石化工程建设公司，北京 100101【正文语种】中文【中图分类】Q051旋流式进料喷嘴实验与流场结构数值模拟黄启龙1，李进贤1，郑亚1，朱国强1，赵思珍2(1．西北工业大学航天学院，陕西西安710072; 2．中国石化工程建设公司，北京100101)摘要:针对旋流式催化裂化进料喷嘴进行了实验研究和数值模拟。
湍流情况下气溶胶微小通道沉积规律数值模拟研究
Vol.41 No.6Dec. 2021第41卷第6期2021年12月核科学与工程Nuclear Science and Engineering 湍流情况下气溶胶微小通道沉积规律数值模拟研究涂卓，曹学釘（上海交通大学，上海200240）摘要：本文利用数值模拟方法研究湍流情况下气溶胶微小通道内的沉积规律。
通过对Muyshondt实验的模拟并与实验数据对比验证了雷诺应力模型（RSM ）和离散相模型（DPM ）的适用性。
分 析了颗粒粒径、气体流量对气溶胶沉积的影响，并利用修正后的DPM 模型研究了通道弯曲度对气溶胶沉积的影响。
结果表明在湍流情况下，气溶胶在微通道内沉积占优机制为湍流扩散，主要影响粒径较小的气溶胶颗粒，随着雷诺数增大，湍流扩散增强，颗粒总沉积率增大；在弯曲通道内，气 溶胶颗粒沉积率随粒径变化呈现先增大后减小的趋势，由于惯性碰撞作用增强，颗粒总沉积率相比 水平通道显著增大，但进一步增大通道弯曲度对颗粒总体沉积率的影响不显著。
关键词：气溶胶；湍流；微通道中图分类号：X513文章标志码：A文章编号：0258-0918 （2021） 06-1260-09Simulation of Aerosol Deposition in the Micro-channel underTurbulent FlowTu Zhuo , Cao Xuewu a(Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)Abstract ： In this paper, the numerical simulation method is used to study the deposition law inthe aerosol micro-channel under turbulent flow. The applicability of the Reynolds Stress Model(RSM) and the Discrete Phase Model (DPM) is verified by the experimental results of the Muyshondt experiment. The influence of the particle size and the gas flow rate on aerosol deposition is analyzed using the original DPM model, while the influence of the channel curvature on the aerosol deposition is studied using the modified DPM model with UDFconsidering the collision. The results show that in the case of turbulent flow, the dominant收稿日期：2020-10-23基金项目：国家科技重大专项项目（2019ZX06004013）作者简介：涂卓（1995—）,湖北荆门人，硕士研究生，现主要从事反应堆严重事故方面研究通讯作者：曹学武，E-mail ： 1260mechanism of the aerosol deposition in the microchannel is turbulent diffusion.Turbulent diffusion mainly affects aerosol particles with smaller diameters.As the Reynolds number increases,turbulent diffusion increases,the overall particle deposition rate increases.In the curved channel,the deposition rate of aerosol particles first increases and then decreases with the change of the particle size.Due to the enhanced inertial collision effect,the overall particle deposition rate increases significantly compared with the horizontal channel.But further increasing the channel curvature has no significant effect on the overall particle deposition rate.Key words：Aerosol;Turbulent flow;Micro-channel当反应堆发生严重事故时，安全壳内会弥散大量放射性气溶胶，气溶胶可通过安全壳上的微小缝隙泄漏进入环境中。
starccm雾化模拟算例
starccm雾化模拟算例
星际计算机辅助工程软件StarCCM+是一款专业的多物理场仿真软件，可用于各种工程领域的模拟和分析。
其中，雾化模拟是其广泛应用的一个方面。
在雾化模拟中，StarCCM+能够模拟液体喷雾、气雾、粉尘雾等不同类型的雾化过程，并计算各种参数，如颗粒尺寸分布、液滴速度、喷嘴压力等。
这些参数对于优化雾化过程、提高喷雾效率和控制产品质量具有重要意义。
例如，在食品加工领域，利用StarCCM+进行雾化模拟可以帮助改进喷雾干燥过程，以保持颗粒的均匀分布和稳定性。
在汽车发动机燃烧室设计中，通过模拟燃油雾化过程，可以更好地控制燃油的喷射和混合，提高燃烧效率和降低污染排放。
除了雾化模拟，StarCCM+还能够进行流动、热传递、化学反应、结构力学等各种仿真分析，为工程师提供全方位的解决方案。
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V_形面喷涂成膜数值模拟
第52卷第6期表面技术2023年6月SURFACE TECHNOLOGY·285·V形面喷涂成膜数值模拟陈诗明1，陈雁1，陈文卓2，姜俊泽1，周爽1（1.中国人民解放军陆军勤务学院 油料系，重庆 401331；2.国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205）摘要：目的建立V形面喷涂成膜仿真模型，深入研究V形面喷涂成膜特性，为优化喷涂喷枪轨迹及获取理想涂膜提供理论支撑。
方法采用欧拉–欧拉方法建立包含喷雾流场模型和喷雾沉积模型的V形面喷涂成膜模型，结合动态自适应加密技术和SIMPLE算法，求解分析喷雾流场规律和涂膜厚度分布特性及形成机理，开展喷涂实验验证所建模型及成膜特性的正确性。
结果随着Z轴距离的增大，喷雾流场横向雾形由椭圆形变为长条状，纵向雾形在长轴方向上近壁面时与平面喷涂差别较大。
相较平面喷涂，外壁喷涂喷雾覆盖范围广，内壁喷涂结果相反，且喷雾横向扩展程度与Z轴坐标值均呈线性关系。
V形面内外壁喷涂涂膜均呈椭圆形，且膜厚均沿径向递减。
外壁喷涂涂膜光环宽度最大，涂膜厚度值普遍低于平面喷涂；内壁喷涂涂膜光环宽度最窄，短轴方向涂膜厚度值普遍高于平面喷涂。
随着V形面角度变大，涂膜中心厚度不断增加。
涂膜厚度值在短轴方向均呈单峰分布，而在长轴方向上，外壁喷涂涂膜厚度均呈双峰分布，内壁喷涂涂膜厚度分布随角度变化有差异。
结论建立的喷涂成膜模型用于V形面喷涂成膜过程仿真是有效的，V形面较大地改变了喷涂过程中的喷雾流场特性和涂膜厚度分布特性。
关键词：V形面；成膜特性；喷雾流场；计算流体力学仿真；欧拉–欧拉法中图分类号：TG174.4文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)06-0285-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.025Numerical Simulation of Film Formation onV-shaped Surface by SprayingCHEN Shi-ming1, CHEN Yan1, CHEN Wen-zhuo2, JIANG Jun-ze1, ZHOU Shuang1(1. Department of Petroleum, Army Logistics University, People's Liberation Army of China, Chongqing 401331, China;2. State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian, Beijing 102205, China)ABSTRACT: The work aims to establish a computational fluid dynamic (CFD) simulation model for in-depth research of收稿日期：2022–04–19；修订日期：2022–09–09Received：2022-04-19；Revised：2022-09-09基金项目：国家科学自然基金（51475469）；重庆市教委科学技术研究项目（KJZD-M201912901）；国民核生化灾害防护国家重点实验室科研基金（SKLNBC2020-09）Fund：The National Natural Science Foundation of China (51475469); The Science and Technology Research Program of Chongqing Municipal Education Commission (KJZD-M201912901); The Fund for State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian (SKLNBC2020-09)作者简介：陈诗明（1991—），男，博士研究生。
空气雾化燃油喷嘴的喷雾数值模拟
运模型〔， 妇 模拟喷嘴中发生的连续相一气相的流动， 并采用离散相喷雾模型困模拟离散相一液相的喷雾
过程
１１ 。
气 相
（ 湍流模型（ ） １ 标准 ‘ 模型） 一。
湍动能方程
甲 即＋色・ 日＋认＋ 甲 ｐ ＝ 丽
Ｕｋ
ｄ ｋ
Ｇ 一尸 一琉 、 。 （） １ 式中 ｐ 流体密度， ／ ３ — ｋ ｍ； ｇ 群 流体动力粘度，ｇ ｍ・ ） — ｋ／（ ５； ａ 湍动能的湍流普朗特数， １饥 ｋ — 取 ．
一 ，， ，，，，， ．，，， ，，，， ，，，， ，，，， ，，，， ，，，，， ．，目‘ ．目．． ．．．． ．．月， ，．，， ，，，
式中 ａ 雾化过程中的液滴半径， — ｍ。 在液体介质雾化的过程中液滴破碎时间 ： 为：
２ 网格以及计算区域
该喷嘴结构比较简单， 由油孔、 气孔及混合孔组 成。压缩空气经过气孔与来自液体通道的流体在混 合孔内混合后， 从喷出口喷出并膨胀雾化。 模拟采用 维坐标方式， ３ 为了能够精确而又快 速地计算出喷嘴的喷雾特性， 以选择混合孔部分 所
中图分类号：Ｋ ２ Ｔ ２３ 文献标识码： Ａ 文章编号： ０一 ３（０７０一 １一３ １ ５ ４９２０）１ ０４ ０ ７ ０ ０
ＳｒｙＮ ｍ ｒ ａ Ｓｍｕａｉ ｆ ｉ Ｂａｔ ｕｌ ｉＡ ｏ ｚｒ Ｐａ ｕ ｅｉ ｌ ｉ Ｉｔ ｎｏ Ａｒ ｌｓ Ｆ ｅ一ｏｌ ｔｍｉ ｃ ｏ ｅ
Ｚ Ａ ＧＳ ｕｒｎ ， Ｉ ｏ 兮 ｈ ｏ Ｈ Ｎ ｈ 一 ｇ Ｙ ＮＨ ｎ ｃａ ｏ
ｒａｈｓ ｆ ｔｍ ｚｒ ｕｐ ｔ ｈ ｃｎｌｓ ｎｉ ｉ ｔ ｈｔ ｏ ｆ ｕａｏ ｆ ｔｍ ｚｒｓ ｎｏ ｔｅ ｉ ａｔｒ ｈ ｈ ｅｃｅ ｏ ａ ｉ ｏｔｕ．Ｔ ｅ ｏ ｃ ｉ ｎ ｃ ｅ ａ ｃｎｉ ｒ ｉ ｏ ｅ ｕ ｏ ｄ ａ ｏｔ ｇ ｔ ｎｏ ａ ｉ ｉｏ ｆ ｈ ｍａ ｃ ｓｗ ｉ ｏ ｅ ｎｆ ｏ ｃ
雾化过程的多尺度仿真算法
雾化过程的多尺度仿真算法刘昌波;雷凡培;周立新【摘要】A new multiscale method of primary atomization is proposed.The liquid blobs larger than the grid volumes were captured by the volume of fluid algorithm,the droplets comparable with the grid volumes or smaller were simplified to particles and tracked by a Lagrangian particle tracking model on a virtual rge eddy simulation with one equation sub-grid scale turbulent energy transport model was used to describe the turbulent flow.A new developed code was validated by several cases,and some key parameters were investigated to improve the precision.The primary atomization of a single jet was calculated,and the results of instantaneous and average characteristics are in good agreement with the experimental results.%提出了一种雾化过程多尺度仿真算法：对大块液团运动，采用流体体积法直接模拟；将与网格尺度相当或更小的液滴简化成粒子，采用一种基于虚网格的拉格朗日粒子法进行追踪；湍流运动采用了湍流动能单方程输运模型的大涡模拟。
拉瓦尔喷管中的气动模拟分析
（4Kpa，温度） 随燃气流动逐渐减小，管口为外界温度
（0.5Mpa，温度） 随燃气流动逐渐降低，但是在经过激波面时 温度突然上升，直到管口迅速下降至外界温度
（3Mpa，温度） 随燃气流动逐渐降低，在到达管口时没有 下降至外界温度
（4Kpa，压力） 在收缩段时逐渐降低，喉部降至负压， 在扩张段时逐渐升高至大气压力
（0.5Mpa，压力） 随燃气流动逐渐降低，但是在经过激波面时 压力突然上升
（3Mpa，压力） 随燃气流动逐渐降低，在管口时产生很大的负压
小结 结合流体力学理论，分析了拉瓦尔喷管的基本流 态。本文CFD 方法能较好地模拟拉瓦尔喷管7种工 作状态，对喷管设计和改进有一定参考价值。 同时，在这次设计过程中，也对cfd有了一定的操 作能力，对拉瓦尔喷管有了更加深刻的认识，同 时 也要感谢张光学老师的细心指导。
气体中微弱扰动是以当地音速向四周传播的。飞行器以亚 音速飞行时，扰动传播速度比飞行器飞行速度大，所以扰 动集中不起来，这时整个流场上流动参数（包括流速、压 强等）的分布是连续的。而当飞行器以超音速飞行时，扰 动来不及传到飞行器的前面去，结果前面的气体受到飞行 器突跃式的压缩，形成集中的强扰动，这时出现一个压缩 过程的界面，称为激波
激波的特征：经过激波，气体的压强、密度、温度都会突 然升高，流速则突然下降。
首先对工质做出如下假设： 1.工质为理想气体。（可压缩） 2.气流定常流动。 3.过程是绝热等熵过程。
某型发动机轴对称拉瓦尔喷管，喷管出口直径0.44 m， 喉部与出口的面积比为0.505，进口与出口的面积比 为0.81，扩散段长度0.57m，收敛段长度0.43m 外界参数： 环境温度300k，压力101325pa（表压为0） 改变进口压力取3个数值（4Kpa，0.5Mpa，3Mpa）
空气助力式喷嘴雾化实验及仿真
空气助力式喷嘴雾化实验及仿真刘海丽;彭宣化;邢玉明;陈艺文【摘要】用马尔文激光粒度测试仪对自行设计的气动雾化喷嘴的雾化特性进行了实验研究，测量了不同工况下喷雾流场的液滴粒径。
根据实验结果，分析了水压、气压、气液比等因素对液滴粒径和均匀性的影响，讨论了液滴粒径随距喷口轴向距离增加的变化规律。
最后，利用Fluent软件对喷雾外流场进行了三维数值仿真，其结果与实验结果吻合较好，验证了仿真方法的可行性。
% Malvern laser particle size analyzer is used to study the spray characteristics experiment of atom⁃izing nozzle. The median volume diameter (MVD) under different conditions was measured. According to the test results, the influences of air pressure, hydraulic pressure and gas-liquid ratio to MVD and uniformi⁃ty were analyzed. Furthermore, the change of the MVD with increasing distance was discussed. The three-dimensional flow field model was built to make numerical simulation by software Fluent. The simula⁃tion results were consistent with experiment results, which indicated the feasibility of simulation.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2012(000)004【总页数】4页(P42-45)【关键词】气动雾化喷嘴;喷雾实验;雾化特性;液滴粒径;均匀性;数值仿真【作者】刘海丽;彭宣化;邢玉明;陈艺文【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;中国燃气涡轮研究院,四川江油621703;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】V2111 引言冰风洞结冰试验的关键在于喷雾系统设计。
喷管内雾状气液两相流场计算分析
喷管内雾状气液两相流场计算分析付英杰;魏英杰;张嘉钟;董磊【摘要】基于双流体模型,考虑两相间动量和热量传递,采用变步长的Runge-Kutta法,对喷管内雾状气液两相流场进行了数值模拟.分析了亚声速及超声速流场特性,重点研究了液滴尺寸及初始含气率对两相流动的影响.计算结果表明:液相速度增长相对缓慢,喷管出口处两相速度差异最大;液相出口速度随液滴尺寸减小而增大,气相出口速度随其减小而减小;液相、气相出口速度均随着初始含气率的增大而增大;在超声速流动中,喉部马赫数小于1,喉部面积随初始含气率及液滴尺寸的增大而减小.这将为喷雾发动机性能的研究分析奠定基础.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2010(042)009【总页数】6页(P1363-1368)【关键词】雾状流;流场分析;数值模拟;双流体模型;热量传递;喷管【作者】付英杰;魏英杰;张嘉钟;董磊【作者单位】哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】O359气液两相流广泛存在于现代工业设备当中，如锅炉、核反应堆蒸汽发生器等汽化装置，石油、天然气的输送管道，各种蒸发器、冷凝器、反应器等化工设备，以及气液混合器、热交换器等.雾状流作为气液两相流的一种重要流型，常用于灭火器，各种发动机燃烧室以及水下推进装置中等.国内外对雾状气液两相流的研究主要集中在液体碎裂过程及实验测量技术等方面［1－4］，关于两相流动的详细分析相对较少.Eddington［5］基于双流体模型对超声速雾状流进行了理论分析，研究了两相流中正激波及斜激波特性;并进行了实验研究，分析结果与实验对比有很好的一致性.魏文韫［6］采用理论分析和实验的方法，研究了由拉伐尔喷管产生的高速气－雾两相流发生过程中动量传递的弛豫现象，为这一特殊的反应体系提供了流体动力学基础.郭烈锦［7］总结了前人关于气液两相流的研究工作，并进行了系统研究分析.Muench和Keith［8］提出一种向水下喷气推进装置中通过雾化喷嘴注入液相水，与气体混合形成雾状流并由喷管高速喷出，借以增加发动机推力及效率的方法，并把该推进装置称为喷雾推进器.该推进器主要包括空气压缩单元、水注入单元和两相喷管3个部分，研究表明推进效率可以达到50%.该喷雾推进器以雾状气、水混合物作为工作介质，因此喷管内雾状气液两相流场计算，对于该推进器的性能分析有重要影响.本文基于双流体模型，针对喷管内雾状气液两相流，考虑了两相间的动量、热量传递，分别进行了亚声速和超声速两相流动的计算分析;在此基础上，进一步研究了液滴尺寸及初始含气率对雾状两相流场分布的影响，旨在为喷雾推进器性能分析等研究工作打下基础.1 计算模型针对喷管内雾状气液两相流，参考Muench［9］所采用的双流体模型，进行流场计算;模型所作的假设如下:1)流场是准一维稳态的，即各相速度、压力等参数在同一喷管截面上为单一值，且不随时间变化，液滴均匀分布;2)气相为理想气体，液相为不可压缩流体;3)流场中液滴始终保持球形，且不发生分裂或合并，直径不变;4)不考虑喷管壁面与流体间的摩擦应力、湍流及边界层效应对流场影响.气相与液相连续性方程如下:式中:下标L，G分别表示与液相、气相对应的变量;α为截面含气率，即空隙率;ρ，u分别为对应相的密度和速度;A为喷管任意点处截面面积;˙mL，˙mG分别为液相、气相的质量流率.混合相动量方程，式中，p为流场压力.液体微团(液滴)动量方程为式中，Re为基于相间滑移速度的液滴雷诺数，且式中:右侧项分别为作用于液滴的压力梯度力及两相间粘性阻力;D为液滴直径，CD 为液滴微团阻力系数，可通过下式求得［9］:其中:μG为气体动力粘度.忽略喷管壁面与两相流间的热量传递，则两相流总能量方程可表示为式中:T为对应相温度，cp为气相定压比热容，c为液相比热.两相间热量传递方程为式中:左侧项为液滴热能增加值;右侧项为通过对流作用液滴吸收的热量;h为对流换热系数，根据相似准则努谢尔数(Nusselt number)计算得到［9］.气相为理想气体，满足状态方程式中:RG为气体常数.方程(1)～(7)组成了描述喷管内雾状气液两相流的完整模型方程组，通过求解该常微分方程组，可以得到两相流场参数在喷管内的分布情况.与单相可压缩流不同，在两相流中，尤其是两相速度差异较大的雾状流，声速和临界流速并不统一，两者关系比较复杂.两相临界流的问题，截止到目前仍在继续研究中，且远未达到取得确切结论的程度［10］，故这里只给出声速及临界流速的经验表达式［7］，在进行喷管内临界两相流场计算时，仅对其进行定性分析.气液两相流中声速方程式如下:式中:cG为单相气体中声速值.当气液两相间滑移速度较大时，临界流速与声速差异较大，可表示为式中:两相混合密度ρm=αρG+(1－α)ρL.两相混合物速度为马赫数为两相滑动比为2 数值方法模型方程组中包含7个常微分方程，但含有ρG，uG，uL，α，p，TG，TL，A等8个未知量;在进行流场计算时，需要给定某一个函数分布，进而计算其它变量.亚声速流场计算时，采用半收缩角为β的锥形喷管，则喷管截面面积A随轴向坐标x变化关系如下:式中:A0为喷管入口截面面积.此时，模型方程组可整理为式中:该方程组为一阶常微分形式，通过变步长的Runge－Kutta法求解方程组，当流场压力降为环境压力时，停止计算，可得到亚声速流场参数分布.给定喷管轮廓即喷管截面面积的方法，只适用于亚声速流场计算.若给定缩放喷管轮廓进行超声速流场计算，可能在喷管喉部以前发生阻塞，得不到稳定的稳态解;或者在喷管喉部仍未达到临界条件，故在扩张段流体速度会减小，达不到超声速流场计算分析的目的.本文在进行喷管内超声速两相流计算时，给定流场压力p随喷管轴向坐标x的变化关系，即式中:p0为喷管入口处压力值;p∞为环境压力.超声速流场计算方法与亚声速计算类似，不再赘述.3 计算结果与讨论在文献［9］中Muench和Ford将该模型计算结果与实验进行了对比，两者吻合较好，验证了该计算模型及计算方法的准确性，故本文不再重复验证，重点应用该模型对喷管内雾状气液两相流场进行计算分析.3.1 亚声速流场分析采用半收缩角β=10°的锥形收缩喷管，则截面面积沿轴向分布如方程(11)，喷管入口截面面积A0=7.85×10－3m2.入口处液相速度uL0= 20 m/s，气相速度uG0=2uL0，液相温度 TL0= 293 K，气相温度TG0=350 K，含气率α0=0.9，压力p0=2×105Pa，环境压力p∞=105Pa，液滴直径D=10－4m，进行喷管内亚声速两相流场计算分析.如图1～2给出了该条件下，雾状气液两相流场参数沿喷管轴向的分布情况，其中L为流场压力降为环境压力时得到的喷管长度;下标e表示喷管出口处流场变量.图1 ρG，TG及TL沿喷管轴向分布曲线图2 p，uG及uL沿喷管轴向分布曲线由图1可知，由于对流传热及气体膨胀加速作用，气相温度逐渐降低，与液相温度趋于一致.液相比热容约为气相的4倍，质量流率也远大于气相(此条件下两相质量流率比˙mL/˙mG约为28)，故液相温度变化很小.由于在喷管入口附近温度下降较快，致使气相密度增大，因而气相速度在喷管入口附近略有减小，如图2所示.随着压力的降低，气、液两相速度同时增大，但气相速度增长较快，在喷管出口附近两相速度差异达到最大.喷管入口两相温度TG0=TL0=293 K，改变液滴直径D，其它条件同上，进行雾状两相流场计算，分析液滴直径对流场分布的影响，如图3～5所示.可见，在各液滴尺寸条件下，压力均沿喷管轴向逐渐减小，且压力梯度(－dp/dx)随液滴直径的减小而增大，即压力下降速度逐渐增大，因而由入口压力膨胀到环境压力所需要的喷管长度，随液滴直径的减小而减小.喷管出口处，液相速度随液滴直径的减小而增大，气相速度随其减小而减小;各条件下，喷管出、入口两相动量变化率依次为:412.2 N，466.4 N，531.5 N，601.1 N，可见动量变化随着液滴直径的减小而逐渐增大，因此减小液滴尺寸有利于增大雾状流通过喷管喷射所产生的推力值.图3 液滴直径D对流场压力分布影响图4 液滴直径D对液相速度分布影响图5 液滴直径D对气相速度分布影响其它条件保持不变，改变初始含气率值，进行两相流场计算分析，研究初始含气率对流场分布的影响.如图6～8，分别给出了各条件下流场压力，液相及气相速度喷管轴向的分布情况.随着初始含气率的增大，压力梯度(－dp/dx)逐渐减小，膨胀到环境压力所需要喷管长度增大.初始含气率较高时液相速度增长缓慢，气相速度随初始含气率变化趋势与液相类似.在喷管出口处，液相及气相出口速度均随着初始含气率的增大而增大.由于初始含气率增大时，减小了液相质量流率，致使初始含气率分别为0.85，0.90，0.95时，通过喷管时两相动量变化率依次为: 591.9 N，531.5 N，431.6 N，即在一定条件下，随着初始含气率增大，通过喷管时两相动量变化逐渐减小.图6 初始含气率α0对流场压力分布影响图7 初始含气率α0对液相速度分布影响图8 初始含气率α0对气相速度分布影响3.2 超声速流场分析提高两相混合流在喷管出口处速度值，可以增大雾状流喷射所产生的推力.然而气液两相流中声速远小于单相气体或液体物质中声速值，故水下发动机喷管内两相流动多为超声速，本节重点对喷管内超声速雾状气液两相流进行计算分析.假定流场压力沿喷管轴向分布如方程(12)，取初始压力p0=4×105Pa，环境压力p∞ = 105Pa.气相温度TG0=350 K，液相温度TL0= 293 K，其它条件与亚声速流动分析时相同，使两相流在喷管内膨胀到环境压力，对流场进行分析.各流场参数分布情况如图9～10所示，其中气相出口速度uGe=214.6 m/s.由喷管截面面积分布可知，喷管为缩放型，喉部位置x/L=0.737，而两相流在缩放喷管内一直处于加速状态，可认为两相流动为超声速.两相温度及气相密度沿喷管轴向分布均与亚声速相似.气体在喷管内膨胀过程中，把气相内能转化为气相和液相动能，同时通过对流传热向液相传递热量，气相温度降低，液相温度略有升高;当气相温度低于液相时，再次通过对流传热，从液相吸收热量，致使液相温度随之降低;可以认为，两相混合物在喷管内流动时，把气相及液相内能转化为两相动能. 图9 p，A，uL及uG沿喷管轴向分布曲线图10 ρG，TG及TL沿喷管轴向分布曲线通过方程(8)～(10)计算得到的气液两相流中声速cm，临界流速am及混合相速度Vm沿喷管轴向的分布情况，如图11所示.可见声速及临界流速均沿喷管逐渐减小，并且临界流速略大于声速值;但在喷管喉部位置，混合相速度与喉部临界速度或声速并不相等，即马赫数M不等于1，而是在喉部后方某一位置混合相速度与临界流速达到一致，主要由于声速表达式(8)是基于冻结模型求得的，得出的结果偏高.当两相流间存在较大的滑移速度时，声速及临界流速的计算有待于进一步研究.流场压力分布等其它条件不变，改变液滴直径D进行喷管内超声速两相流场计算，图12～14分别给出了两相速度及喷管截面面积沿轴向的分布情况.图11 声速、临界流速及混合相速度沿喷管分布图12 液滴直径D对液相速度分布影响图13 液滴直径D对气相速度分布影响图14 液滴直径D对喷管截面面积分布影响可见，当液滴直径较小时，液相速度增长较为迅速而气相速度增长缓慢，则在喷管出口处，液相速度随液滴直径减小而增大，气相速度随其减小而减小.由图14可知，随着液滴尺寸的减小，喷管喉部面积逐渐增大，位置变化不大(D取0.4 mm， 0.2 mm，0.1mm 时，喉部分别位于 x = 0.074 8 m，0.074 5 m，0.073 8 m处);在喉部位置气相速度随液滴直径减小而减小，液相速度随其减小而增大;两相滑动比S分别为3.19，2.61和2.10，马赫数M为0.855，0.868和0.874;可见随着两相间滑动比的减小，喉部马赫数逐渐接近于1.图15～17给出了不同初始含气率α0条件下，气相速度、液相速度及喷管截面面积沿喷管轴向的分布情况.图15 初始含气率α0对气相速度分布影响图16 初始含气率α0对液相速度分布影响图17 初始含气率α0对喷管截面面积分布影响由图可知，两相速度均随着初始含气率的增大而增大;喷管喉部面积随着含气率的增大而减小，而喉部位置几乎没有变化(分别位于x= 0.073 8 m，0.073 8 m，0.073 9 m处).初始含气率对通过喷管时两相动量变化率Δ(˙mLuL+ ˙mGuG)的影响与亚声速流动情况下相同.4 结论1)液相速度增长缓慢，两相速度差异逐渐增大，在喷管出口处速度差异为最大;2)亚声速及超声速流动中，液相出口速度均随液滴尺寸减小而增大，气相出口速度随其减小而减小;液相、气相出口速度均随着初始含气率的增大而增大;3)超声速流动中，喉部混合相速度、声速及临界流速均不相等，且滑动比越小，混合相速度越接近声速;喉部面积随初始含气率、液滴直径的增大而减小，位置变化不大.参考文献:［1］CAO J M.Derivation on the linear stability theory of plane liquid sheets spray in two compressible gas streams［J］.Combustion Science and Technology，1999，(4):349－355.［2］JAZAYERI S A，LI X.Nonlinear instability of plane liquid sheets ［J］.Journal of Fluid 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