液滴撞击固体斜面的三维VOF模拟.docx

中国工程热物理学会传热传质分会:123019
学术会议论文
液滴撞击固体斜面的三维VOF模拟
沈胜强,毕菲菲,郭亚丽,杨勇,崔艳艳
(大连理工大学能源与动力学院,辽宁海水淡化重点实验室,辽宁大连 116024)
(******@dlut.. @)
摘要:采用VOF方法的计算流体力学三维模型.,模拟了液滴撞击固体倾斜壁面的流动过程,以及各种因素对撞击过程的影响。通过数值模拟得到:壁面的可润湿性越好,液滴越容易沉积在固体表面;在相同的We数下,撞击角越小,液滴的铺展速度越快,最终铺展的程度也越大。
关键字:液滴;碰撞;三维VOF;斜面
1引言
液滴撞击固体壁面因其很强的质交换和热交换能力而被广泛用于能源、化工等领域,且液滴与固体表面的撞击是一种典型的自由表面流动过程。液滴与壁面接触的尺度、速度、形式、形态过程等,往往对相应的工程技术起着决定性的作用,成为工程技术发展的关键因素。因此研究自由表面流动问题不仅可以更好的了解自由表面流动问题的本质,而且对于实际生产和现代高科技应用都具有非常积极的意义。为此,科学工作者进行了大量的实验和数值模拟研究。
Prashant[1](2005)利用实验观测了液滴在撞击水平壁面的变形、形态发展,然后利用二维的VOF方法进行了模拟,并把模拟结果与实验结果进行了对比,证明了模型的正确性。[2](2005)利用二维的VOF方法模拟了液滴撞击水平壁面的过程,并对动态接触角的作用进行了分析,说明了动态接触角模型比静态接触角模型更接近实验结果。林志勇等[3](2007)用二维VOF模型模拟分析了平板上液滴在吹风条件下的振荡形态和内部的流态与压力分布。李燕等[4](2009)应用二维VOF模型,对液滴撞击等温壁面与加热表面的变形过程进行了数值模拟,并把模拟结果与实验数据进行比较分析,验证了其正确性。隋涛[5](2011)利用VOF模型和实验观察相结合的方法研究了液滴与水平固体壁面碰撞后的铺展过程,讨论了液滴在铺展的各个阶段的压力分布特性和速度分布特性,数值计算结果与实验观察结果一致。
2 数学模型
VOF(volume of fluid)模型
VOF方法是1981年Hirt和Nichols[6-8]等人首次提出的,该方法定义了一个VOF函数,规定其中一种流体为“目标流体”,每个网格上的VOF函数定义为目标流体体积和网格总体积的比值,所以单元上的流体体积分数定义为:
(1)
充满流体的网格C=1,不含流体的网格C=0,0<C<1的网格则是含有自由表面的网格。文中采用FLUENT软件中一般采用的方法,定义气相空气为主相,液相的液滴为第二相,利用第二相的体积分数来标识材料类型。分别用和表示空气(主相)和液滴(第二相)的体积分数。液滴的体积分数方程为:
(2)
假定气相和液相为不可压缩牛顿流体,液滴内部的运动的层流流动,则各相的质量和动量方程为:
(3) (4)
这里,V表示速度向量,P表示压力,FSF为表面力向量。除了质量和动量方程外,模型中也必须考虑表面张力和壁面黏附作用。Brackbill[9]提出的连续表面张力模型,以源项的形式被定义在动量方程中。
初始条件和边界条件
液滴撞击倾斜表面的几何图(a)、侧面示意图(b)