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中 国 科 学 技 术 大 学
UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA
计算流体与传热传质课程论文
单液滴与热固体表面碰撞动力学现象数值模拟
作者姓名: 蓝 美 娟
学 号: S
导师姓名: 刘 明 侯
院 系: 火灾科学国家重点实验室
中国·合肥
二○一一年十二月
单液滴与热固体表面碰撞动力学现象数值模拟
(中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室 蓝美娟 安徽合肥 230027)
摘要:文章采用VOF模型结合欧拉-拉格朗日控制方程进行建模,并利用动画跟踪分析了单液滴撞击不同材料,不同温度热固体表面时发生的运动、铺展、回撤、形成液柱、反弹、破裂产生次生液滴等过程的动力学行为。通过与文献中液滴撞击石蜡表面动力学实验进行对比吻合较好,证实了模型模拟的可靠性。
关键词:单液滴 热固体 表面 动力学
1、引言
Fluent中的多相流模型
3、液滴撞击VOF模型理论基础
3.1流体相控制方程
4、 数值模拟中相关问题的处理
图3-2 计算模型示意图
GAMBIT作为FLUENT的前处理软件,用来进行几何建模和网格划分的工作。本文主要考察的是单个液滴与平壁碰撞过程中流场、速度场的变化,因此计算区域选择为包含一个液滴的流体区域。整个区域内流动始终保持轴对称,且没有周向速度,所以计算区域可简化为二维情形进行讨论。为了更好的节省计算成本,只对区域的一半进行求解即可扩展到整个区域,计算区域如图3-2所示,图中中间的直线为对称轴。
模型中长和宽分别为0.1m,液滴半径为0.05mm,初速度为1.2m/s。网格尺寸为0.1,液滴区域加密为0.05,。水平壁面材料为铝和木材。红色边界设为Pressure-outlet,参考压强为一个标准大气压,绝对压强为0,所以标准压强就等于参考压强,另三条设为wall,中间那条是axis。给定壁面温度分别为330K和350K。此处液滴由空气中滴落,液滴与空气接触角为90°。
表3-1 计算中采用的材料物性参数表
物性 水 密度(Kg/m3) 1000 粘度(Pa*S) 0.001 表面张力(N/m) 0.074 表3-2 计算区域初始化表
计算区域 压强(Pa) 温度(K) 速度 流体体积分数 空气 101325 … 0 0 液滴 … … … 1 壁面 / … / / 表中…为可以任意设定的值。
4.2 计算中收敛性和稳定性的分析
对计算收敛性和稳定性影响的因素很多,如网格质量、运动界面分辨率、松弛因子大小、时间步大小等。本文计算区域的离散采用均匀的四边形网格,因此网格质量不存在问题。自由表面在每个时间步长的计算中都要进行界面重构,界面分辨率也可以满足要求。因此对收敛性和稳定性影响最大的是松弛因子和时间步长大小的设置。在实际的计算过程中,这些参数的合理设置要通过不断尝试,才能得到比较合理的值,但松弛因子和时间步的选择还是有一定的规律可循。
⑴松弛因子的选择
液滴撞击固体表面属于非定常问题,选择PISO算法比SIMPLE算法有更快的收敛速度,而且允许采用较大的时间步长,动量方程和压力项都可把亚松弛因子取为1.0。如果计算不稳定,可以适当把亚松弛因子改小,通过计算发现,一般取值在0.7至0.8之间比较合适。
⑵时间步长的选择
计算过程中每个时间步长内的迭代次数一般在20-30为宜,如果迭代次数很大则应该把时间步长改小,如果每个时间步长只需很少的迭代次数就满足收敛要求,就可以把时间步长适当改大。
在本文的模拟中,采用的时间步长为1x10-4s。
5、结果与讨论
结论
对单液滴作用不同温度不同材料表面进行了数值模拟,结果显示液滴并没有直接铺展在固体表面,由于受到表面张力和液滴蒸发作用力的影响,液滴发生了明显的反弹现象。并且在很短的时间内液滴速度向相反方向运动。且固体表面温度越高,反弹作用越明显。
⑵对细水雾液滴作用到高温材料进行数值模拟,结果显示细水雾液滴具有很好的降温作用,对灭火起到很好的效果。
⑶对单液滴作用铝表面和木材表面数值模拟进行了比较,结果显示液滴作用到木材表面铺展效果明显,说明粗糙度对液滴碰撞固体表面的浸润性有较大的影响。
致谢
在本文即将完成之际,感谢我的授课教师刘明侯老师,在您别具特色的授课过程中,我学会了应用FLUNET软件,并且在我做作业时给我亲自指导,异常感谢
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