CN110414141A - 可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法，涉及精细雾化领域。本发明运用数值模拟方法实现了三维模型空间中从跨音速流场的产生到其内液体粒子破碎的过程的仿真，所建立的数值模型与计算步骤可为不同形状的基于拉瓦尔机构的喷管内部的跨音速流场内液体破碎过程、破碎机理、粒子位置分布、粒径分布以及粒子速度分布等进行三维状态的可视化和分析，所建数值模型对不同气流入口、出口边界条件的流动中不同液体粒子的初始条件下的破碎过程与结果提供准确预测和最直观的理论依据。

Description

可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法

技术领域

本发明涉及精细雾化领域，尤其涉及可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法。

背景技术

拉瓦尔喷管是一种空气控制结构，它能够通过在入口边界施加高压空气流动，并结合拉瓦尔喷管自身缩扩结构，将空气从亚音速加速至超音速。跨音速雾化是一种通过拉瓦尔喷管加速空气破碎液柱的方法，在跨音速流场中液柱被超高速度气体破碎成微米级雾滴粒子，这个过程所产生的大量的微细雾滴能够应用在除尘领域，并达到对呼吸性粉尘的高效捕捉，所形成的气液两相雾幕能够有效的将尘源与工人隔绝，一方面防治粉尘扩散逃逸，另一方面也能起到增加空气湿度降低空气温度的作用。为了实现这一过程，并且响应国家节能减排的方针，需要对这个复杂的过程有更加深入的研究，由于跨音速的流动雾化过程时机器复杂的，而且通过实验研究不仅耗时费力，而且难度很大，因此需要应用数值模拟的方法去深入研究这个过程，然而现有的模拟方法并不能很好的支持相关研究。

现有的模拟方法大致可分为三种，一种是单纯的跨音速流场模拟，一种是二维的流场模拟和粒子破碎模型，一种是单纯的横向稳定超音速流场的粒子破碎过程。这三种方法都不能为我们提供三维跨音速流场内的液滴破碎雾化与粒子追踪，我们便无从研究真实的三维状态的雾滴分布，因此就不得不探索出一种可以满足我们研究需要的模拟方法。由此，基于模拟软件COMSOL发明了一种可压缩流体的跨音速流场内液滴破碎追踪的三维数值模拟方法，为相关的研究提供了一种可行的技术方法支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法。该方法运用数值模拟方法实现了三维模型空间中从跨音速流场的产生到其内液体粒子破碎的过程的仿真，所建立的数值模型与计算步骤可为不同形状的基于拉瓦尔机构的喷管内部的跨音速流场内液体破碎过程、破碎机理、粒子位置分布、粒径分布以及粒子速度分布等进行三维状态的可视化和分析，所建数值模型对不同气流入口、出口边界条件的流动中不同液体粒子的初始条件下的破碎过程与结果提供准确预测和最直观的理论依据。

本发明所采取的技术方案是：可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法；包括以下步骤：

步骤1：利用数值模拟软件生成拉瓦尔结构侧壁曲线的参数方程，利用求出的参数方程在二维轴对称空间模块内建立拉瓦尔结构几何实体模型；

步骤2：建立二维轴对称流场计算数值模型并设定入口、出口边界条件；

步骤3：对流场几何模型进行非结构化网格划分与网格参数设定；

步骤4：利用稳态计算方法对拉瓦尔管内的可压缩跨音速流场分布结果进行计算；

步骤5：将稳态计算结果导出生成流场数据参数方程；将计算跨音速流场各点的气体温度、气体压力、气体密度、气体动力粘度、气体的轴向、法向和切向三个方向的速度的结果导出为txt文件，生成三维基底的参数方程；

步骤6：绘制拉瓦尔结构侧壁曲线，在三维空间中利用空间平面旋转生成三维拉瓦尔结构内气体实体几何模型；

步骤7：建立可压缩流体跨音速管内流动中粒子破碎追踪数值模型；

步骤8：根据跨音速流场内液体粒子破碎机理对几何模型进行非结构化网格划分并向轴对称网格近似，进一步确定瞬态计算的初始时间、时间步、终止时间；

步骤9：对粒子破碎过程进行瞬态计算并进行粒子释放位置、释放角度不同时的追踪后处理。

步骤2的具体步骤为：

步骤2.1：基于可压缩气体高马赫数流动机理与拉瓦尔结构管内流动控制方程，结合纳维 -斯托克斯连续性方程、Sutherlands定律建立二维轴对称流场数值计算模型；

步骤2.2：根据完全气体状态方程、等熵流动方程、雷诺数计算方程确定初始流动条件；

步骤2.3：根据实际需要设定选择入口和出口边界并设定边界条件。

步骤6的具体步骤为：

步骤6.1：在三维空间模块中生成平面工作面；

步骤6.2：调用步骤1中的参数方程绘制拉瓦尔结构侧壁曲线；

步骤6.3：在三维空间中利用空间平面旋转生成三维拉瓦尔结构内气体实体几何模型。

步骤7的具体步骤为：

步骤7.1：基于斯托克斯曳力方程、液体粒子超音速流场内破碎机理、开尔文-亥姆霍兹粒子破碎模型、建立跨音速流场内的液体粒子破碎与追踪数值计算模型；

步骤7.2：基于步骤5中的气流流场数据三维基底的参数方程建立跨音速流场的初始状态模型。根据二维轴对称与三维空间基底的坐标系转化关系，运用编程语言带入步骤5中的参数方程，确定三维流场的x,y,z三轴的速度分布；

步骤7.3：根据实际流量与液体压力等音速确定粒子运动的初始状态、初始位置与释放时间。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明实现了基于拉瓦尔机构的喷管内部的可压缩跨音速流场内液体破碎过程，通过本方法能够对破碎机理、粒子位置分布、粒径分布以及粒子速度分布等进行三维状态的可视化和分析；通过三维仿真模拟实验研究，确定了超音速雾化的实现条件，通过边界参数设定变化，确定了超音速雾化虹吸的条件，为实现现有的超音速类型雾化除尘喷嘴优化提供直观的理论依据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的侧壁的参数方程曲线图；

图2为本发明实施例提供的拉瓦尔结构几何实体模型图；

图3为本发明实施例提供的非结构化网格划分图；

图4为本发明实施例提供的流场稳态计算的速度分布结果图；

图5为本发明实施例提供的温度参数方程T_f(x,y,z)数据来源部分截图；

图6为本发明实施例提供的导出参数方程的三维绘图；

图中：(a)为速度参数方程三维绘图；(b)为动力粘度参数方程三维绘图；(c)为密度参数方程三维绘图；

图7为本发明实施例提供的三维模型中的几何模型构建图；

图8为本发明实施例提供的三维模型中所导入的参数方程状态图；

图中：(a)为速度参数方程状态图；(b)为压力参数方程状态图；

图9为本发明实施例提供的三维模型中的拉瓦尔喷管网格划分图；

图10为本发明实施例提供的可压缩流体的跨音速流场内液滴破碎追踪的三维数值模拟 2ms时粒子状态分布图；

图中：(a)为粒子粒度分布图；(b)为粒子速度分布图；(c)为粒子速度百分比分布图；

图11为本发明实施例提供的可压缩流体的跨音速流场内液滴破碎追踪的三维数值模拟改变液体粒子初始条件与拉瓦尔形状后的粒子粒度分布图；

图中：(a)状态一：粒子在轴心处释放获得的粒子粒度分布；(b)状态二：粒子在拉瓦尔管侧壁释放，与竖直方向呈45°夹角获得的粒子粒度分布；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例的方法如下所述。

步骤1：利用数值模拟软件生成拉瓦尔结构侧壁曲线的参数方程，利用求出的参数方程在二维轴对称空间模块内建立拉瓦尔结构几何实体模型；

本实施例中使用matlab软件生成拉瓦尔结构侧壁曲线的参数方程如表1所示，参数方程曲线图如图1所示；使用comsol软件在二维轴对称空间模块内建立拉瓦尔结构几何实体模型，如图2所示；

表1拉瓦尔结构侧壁曲线的参数方程

步骤2：建立二维轴对称流场计算数值模型并设定入口、出口边界条件；

具体步骤如下：

步骤2.1：基于可压缩气体高马赫数流动机理与拉瓦尔结构管内流动控制方程，结合纳维 -斯托克斯连续性方程、Sutherlands定律建立二维轴对称流场数值计算模型；

步骤2.2：根据完全气体状态方程、等熵流动方程、雷诺数计算方程确定初始流动条件；

步骤2.3：根据实际需要，如气体压力、密度、温度、外界环境温度等参数，设定选择入口和出口边界并设定边界条件；

所述步骤2.3中，使用comsol软件对边界条件进行参数定义如下：

Rho＝pin_stat/Rs/Tin_stat

Mu＝rhoin*u_in*h_in/Rein

P_stat＝pin_tot/(1+0.5*Min^2*(-1+gamma))^(gamma/(-1+gamma))

Tin_tot/(1+0.5*Min^2*(-1+gamma))

Min*sqrt(gamma*Rs*Tin_stat)

步骤3：对流场几何模型进行非结构化网格划分与网格参数设定，生成的模拟网格划分如图3所示；

步骤4：利用稳态计算方法对拉瓦尔管内的可压缩跨音速流场分布结果进行计算，计算结果如图4所示；

步骤5：将稳态计算结果导出生成流场数据参数方程；将计算跨音速流场各点的气体温度、气体压力、气体密度、气体动力粘度、气体的轴向、法向和切向三个方向的速度的结果导出为txt文件，如图5所示，生成三维基底的参数方程：T_f(x,y,z)、P_f(x,y,z)、R_f(x,y,z)、 M_f(x,y,z)、z_(x,y,z)、u_f(x,y,z)、w_f(x,y,z)，如图6所示；

步骤6：绘制拉瓦尔结构侧壁曲线，在三维空间中利用空间平面旋转生成三维拉瓦尔结构内气体实体几何模型；

具体步骤如下：

步骤6.1：在三维空间模块中生成平面工作面；

步骤6.2：调用步骤1中的参数方程绘制拉瓦尔结构侧壁曲线；

步骤6.3：在三维空间中利用空间平面旋转生成三维拉瓦尔结构内气体实体几何模型，如图7所示。

步骤7：建立可压缩流体跨音速管内流动中粒子破碎追踪数值模型；

具体步骤如下：

步骤7.1：基于斯托克斯曳力方程、液体粒子超音速流场内破碎机理、开尔文-亥姆霍兹 (K-H)粒子破碎模型、建立跨音速流场内的液体粒子破碎与追踪数值计算模型；

步骤7.2：基于步骤5中的气流流场数据三维基底的参数方程建立跨音速流场的初始状态模型，如表2所示，根据二维轴对称与三维空间基底的坐标系转化关系，运用编程语言带入步骤5中的参数方程，本实施例中如表3所示对速度分布边界变量进行定义，确定三维流场的x,y,z三轴的速度分布，如图8所示；

表2数值模拟的边界参数设定表

表3速度分布边界变量定义表

名称	表达式	单位	描述
				Ux	if((x^2+y^2)＝＝0,0,Ur_f(x,y,z)*x/sqrt(x^2+y^2))	m/s
Uy	if((x^2+y^2)＝＝0,0,Ur_f(x,y,z)*y/sqrt(x^2+y^2))	m/s
				Uz	Uz_f(x,y,z)	m/s

步骤7.3：根据实际流量与液体压力等确定粒子的初始状态、初始位置与释放时间。

步骤8：根据跨音速流场内液体粒子破碎机理对几何模型进行非结构化网格划分并向轴对称网格近似，如表4、表5所示，进一步确定瞬态计算的初始时间、时间步、终止时间，如图9所示,；

表4三维网格划分细节

描述	值
		校准为	流体动力学
最大单元大小	0.697
		最小单元大小	0.208
曲率因子	0.6
		狭窄区域分辨率	0.7
最大单元增长率	1.15

表5瞬态计算时间步

时间步	单位
		range(0,1e-6,2e-3)	s

步骤9：对粒子破碎过程进行瞬态计算并进行粒子释放位置、释放角度不同时的追踪后处理；

在本实施例中计算了拉瓦尔喷管入口6atm时，质量流量为1.11g/s水在管内3ms时间中的粒子破碎过程，得到粒子的三维空间的粒度、速度分布结果，粒子速度的分布百分比；在 2ms时的粒子粒度、速度分布，粒子速度分布百分比如图10所示；调整粒子释放位置与粒子释放角度后的计算结果，分别使粒子在轴心处释放获得粒子粒度分布状态一，使粒子在拉瓦尔管侧壁释放，与竖直方向呈45°夹角获得粒子粒度分布状态二，如图11所示，计算结果表明速度大的粒子集中在轴向，且其粒度较周围小很多，6atm时，粒子的破碎2ms时速度分布，轴向主要分布在300/s。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：利用数值模拟软件生成拉瓦尔结构侧壁曲线的参数方程，利用求出的参数方程在二维轴对称空间模块内建立拉瓦尔结构几何实体模型；

步骤2：建立二维轴对称流场计算数值模型并设定入口、出口边界条件；

步骤3：对流场几何模型进行非结构化网格划分与网格参数设定；

步骤4：利用稳态计算方法对拉瓦尔管内的可压缩跨音速流场分布结果进行计算；

步骤5：将稳态计算结果导出生成流场数据参数方程；将计算跨音速流场各点的气体温度、气体压力、气体密度、气体动力粘度、气体的轴向、法向和切向三个方向的速度的结果导出为txt文件，生成三维基底的参数方程；

步骤6：绘制拉瓦尔结构侧壁曲线，在三维空间中利用空间平面旋转生成三维拉瓦尔结构内气体实体几何模型；

步骤7：建立可压缩流体跨音速管内流动中粒子破碎追踪数值模型；

步骤8：根据跨音速流场内液体粒子破碎机理对几何模型进行非结构化网格划分并向轴对称网格近似，进一步确定瞬态计算的初始时间、时间步、终止时间；

步骤9：对粒子破碎过程进行瞬态计算并进行粒子释放位置、释放角度不同时的追踪后处理。

2.根据权利要求1所述的可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1：基于可压缩气体高马赫数流动机理与拉瓦尔结构管内流动控制方程，结合纳维-斯托克斯连续性方程、Sutherlands定律建立二维轴对称流场数值计算模型；

步骤2.2：根据完全气体状态方程、等熵流动方程、雷诺数计算方程确定初始流动条件；

步骤2.3：根据实际需要设定选择入口和出口边界并设定边界条件。

3.根据权利要求1所述的可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法，其特征在于：所述步骤6的具体步骤为：

步骤6.1：在三维空间模块中生成平面工作面；

步骤6.2：调用步骤1中的参数方程绘制拉瓦尔结构侧壁曲线；

步骤6.3：在三维空间中利用空间平面旋转生成三维拉瓦尔结构内气体实体几何模型。

4.根据权利要求1所述的可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法，其特征在于：所述步骤7的具体步骤为：

步骤7.1：基于斯托克斯曳力方程、液体粒子超音速流场内破碎机理、开尔文-亥姆霍兹粒子破碎模型、建立跨音速流场内的液体粒子破碎与追踪数值计算模型；

步骤7.2：基于步骤5中的气流流场数据三维基底的参数方程建立跨音速流场的初始状态模型；根据二维轴对称与三维空间基底的坐标系转化关系，运用编程语言带入步骤5中的参数方程，确定三维流场的x,y,z三轴的速度分布；

步骤7.3：根据实际流量与液体压力等确定粒子的初始状态、初始位置与释放时间。