液滴沿圆弧形外壁面流动的数值模拟.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123303
液滴沿圆弧形外壁面流动的数值模拟
孙美玲,陈石,王辉,王鹏
大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连,116024
84706302 592068882@
摘要:运用VOF(Volume Of Fluid)方法对单液滴沿圆弧形外壁面的流动脱落过程进行了二维数值模拟。追踪了液滴与空气间的气液两相界面,以捕捉液滴的运动和形态变化,并分析讨论了液滴流动过程的形态变化和速度分布特性。数值计算结果表明,液滴初始速度、液滴半径、弯曲壁面半径等因素对液滴的脱落角有明显的影响。最后推导出计算脱落角的无量纲关系式。
关键词:VOF;脱落角;数值模拟

0 前言液滴与固体壁面接触过程是工农业生产中的常见现象,比如农药喷洒、冷却热表面、内燃机油料的喷射等。
研究液滴与壁面接触过程的常用方法包括理论分析、实验观察和数值模拟。沈胜强[2]等通过改变相关参数对液滴撞击倾斜壁面的动力学过程进行了分析;崔洁[4]等研究了撞击速度对液滴铺展过程的影响,并得到了用来预测不同时刻液滴铺展直径变化的表达式;贺征[3] 曾祥辉[8] 魏明锐[12]等分别采用了不同的液滴与壁面碰撞破碎模型进行研究; Y. Hardalupas[6] 等研究了液滴碰撞球外表面时的运动行为,证实表面曲率可明显增加液滴的二次雾化;隋涛[7]等研究液滴与水平壁面碰撞后的铺展过程中压力分布和速度特性分布; Rioboo[10]D摄像机对液滴的变形进行拍摄,分析了液滴直径、碰撞速度和粘性等因素对变形的影响。Sikalodeng[13]等使用高速摄像技术对不同撞击角度、不同固体材质情况下,液滴与壁面间的相互作用进行了研究。以前的研究主要集中在观察探讨液滴的形态变化,但对其内部流场的分析较少。对液滴脱落方面的研究集中在竖壁和管束的方面,对在弯曲壁面上的液滴脱落角的研究几乎没有。本文建立了单液滴沿圆弧外壁面流动脱落的模型,通过分析模拟结果得出液滴内部流场速度变化规律及液滴半径、液滴速度和曲率半径等参数对液滴运动形态的影响,并得出适应性较为广泛的脱落角的计算关联式。
1. 物理模型
求解液滴沿圆弧形外壁面流动问题的物理模型如下:液滴位于圆弧形壁面的上方,液滴初始形状为圆形,且为不可压缩流体,假设液滴各点初始速度向下,没有水平速度。液滴在重力、粘性力、表面张力和惯性力的共同作用下沿壁面运动,逐渐发生铺展、脱落。本文引用液滴脱落角θ,表征液滴脱落的位置,定义如图1所示。基金项目:国家自然科学基金项目(50976016),辽宁省自然科学基金计划资助项目()
图1 定义液滴脱落角θ图2 模拟区域网格图
2. 数学模型.
液滴沿圆弧形外壁面流动的模型涉及液滴和空气两种流体,二者没有发生传质,且要求对液滴自由表面的运动进行重点考虑,因此选择VOF (volume of fluid)模型。VOF方法是一种用于跟踪两相交界面的线性插值方法。定义标量场函数体积分数f 来表征第二流体在计算网格单元中的分布,大小为第二流体在网格中所占体积分数。本文取空气为第一流体,水为第二流体。当f=0时,网格单元中全部为第一流体;当f=1时,该单元全部为第二流体;当0<f<1时,则表明网格单元中部分为第一流体,部分为第二流体。
为了简化计算做如下