【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及航空發(fā)動機霧化，具體涉及到一種可用于旋流杯霧化的顯式體積σ-y霧化大渦模擬仿真方法。
技術(shù)介紹
1、霧化是航空發(fā)動機等液體燃燒裝置中非常關(guān)鍵的一個過程，與流體湍流擴散，液滴穿越氣體介質(zhì)時所受到的空氣阻力等因素有關(guān)。霧化是一種界面物理過程，由慣性、粘性和表面張力(或毛細管)力相互競爭的結(jié)果，霧化質(zhì)量對燃燒性能和污染物排放具有重要的影響。霧化后液滴尺寸分布廣泛，從下游噴霧中的微米小液滴到上游連續(xù)液核中的毫米尺度大液團通常相差幾個數(shù)量級。霧化固有的復雜性和多尺度性使得實驗研究和數(shù)值計算都非常具有挑戰(zhàn)性。
2、目前霧化過程的準直接數(shù)值模擬廣泛采用氣液界面捕捉方法，如流體體積函數(shù)(volume?of?fluid，vof)，水平集(level?set，ls)和擴散界面(diffusion?interface，di)等，這些方法能夠自動識別出液滴的變形、破碎和聚合等復雜過程。但ls方法和一些di方法在本質(zhì)上質(zhì)量不守恒，需要額外的數(shù)值修正。vof方法本身滿足質(zhì)量守恒，是目前研究的熱點。
3、vof方法是建立在歐拉網(wǎng)格下的界面追蹤方法。該方法中，互不相容的流體組分共用一套動量方程，并通過引入相體積分數(shù)α和相分數(shù)輸運方程來實現(xiàn)對計算域內(nèi)相間界面的追蹤。其中α表示液相的體積占所在網(wǎng)格體積的比值。包含了一個相輸運方程，是一個標量傳輸方程：的概念基于兩種不混溶的流體可以被建模為一個具有熱力學、輸運和流動特性奇異值的單一流體。在空間和時間上的每個點上的密度ρ和動態(tài)粘度μ均為：ρ＝αρh+(1-α)ρlμ＝αμh+(1-
4、在處理宏觀尺度的多相流問題時具有較為廣泛的適用性，適用于大多數(shù)工業(yè)和工程應用中的多相流問題，如波浪運動，明渠流動等等。此外vof方法已經(jīng)植入進商業(yè)計算流體力學軟件ansys?fluent以及開源計算流體力學軟件openfoam。在學術(shù)界得到廣泛的應用和研究，有較為成熟的理論基礎(chǔ)和工程應用經(jīng)驗。
5、f方法的一個主要缺點是由于相分數(shù)控制方程的離散化導致的數(shù)值耗散，導致邊界處過度地涂抹了尖銳的界面，使用粗網(wǎng)格難以捕捉細小液體結(jié)構(gòu)。為減弱數(shù)值擴散精確捕捉氣液界面通常需要非常精細的網(wǎng)格和較高的計算成本，因此傳統(tǒng)vof方法很難應用于二次霧化和隨后的細小液滴分散過程。
6、vof方法并不適用于大渦模擬(les)湍流模型。les要解析大尺度渦等流體結(jié)構(gòu)，相比rans所需網(wǎng)格更精細，相分數(shù)運輸方程本身不具有擴散項，在粗網(wǎng)格les中，離散的vof方程的數(shù)值耗散對流場的影響增強。數(shù)值耗散網(wǎng)格相關(guān)性強，界面動力學對網(wǎng)格的敏感性強，不僅會對小尺度脈動量造成影響，還會進一步影響大尺度統(tǒng)計量。
7、大渦模擬在兩相流中無法正確評估由于界面存在而造成的亞格子應力。在兩相界面附近湍流脈動和界面不均勻性均會產(chǎn)生亞格子應力，而smagorinsky湍流模型中亞網(wǎng)格湍流擴散率不足以模化由于界面由非均勻相引起的亞網(wǎng)格脈動。此外由于霧化多尺度特性，當部分液滴尺度小于les濾波尺度時，亞格子尺度表面張力不可忽略，傳統(tǒng)vof模型無法正確解析兩相流動。
8、針對上述問題，本專利技術(shù)提供了一種可在較粗網(wǎng)格下使用les+vof對濾波尺度以上的大渦結(jié)構(gòu)進行捕捉的一種可用于旋流杯霧化的顯式體積z-y霧化大渦模擬仿真方法。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)提供了一種可在較粗網(wǎng)格下使用les+vof對濾波尺度以上的大渦結(jié)構(gòu)進行捕捉的一種可用于旋流杯霧化的顯式體積σ-y霧化大渦模擬仿真方法。
2、本專利技術(shù)的目的是提供一種可用于旋流杯霧化的顯式體積σ-y霧化大渦模擬仿真方法，在平均網(wǎng)格尺度與最小液滴直徑之比大于10的較粗網(wǎng)格下用于一次霧化和二次霧化的計算，一次霧化和二次霧化含有多尺度液滴流，定義為:
3、
4、進一步的，方法的具體步驟如下：
5、步驟一、對vof相輸運方程做les濾波并引入farve平均后得到：
6、
7、其中，為體積平均密度，為favre平均相分數(shù)，為favre平均速度，為亞格子平均相分數(shù)通量，α″為favre平均相分數(shù)脈動量，u″為favre平均速度脈動量；
8、步驟二、體積平均會產(chǎn)生未封閉的亞格子α通量，通過引入人工擴散系數(shù)dv對其進行建模：
9、
10、步驟三、一方面衡量了了亞格子尺度相分數(shù)脈動對大尺度流動所造成得影響，另一方面相當于人為增加擴散項，恰當?shù)娜斯U散項能抑制由離散而產(chǎn)生的數(shù)值耗散對計算結(jié)果造成的影響，dv計算公式如下：
11、
12、其中，lv為網(wǎng)格相關(guān)特征長度，取網(wǎng)格體積三次方根，cαu為常數(shù)，|q/e|為高渦量特征因子；
13、步驟四、限制了dv只能出現(xiàn)在強湍流等不穩(wěn)定區(qū)域，，而界面不穩(wěn)定性出現(xiàn)之前不會產(chǎn)生界面曲率，|q/e|趨近于0，因此趨近于0，公式表示為：
14、
15、其中，為應變率張量，為渦量張量；
16、步驟五、利用液相質(zhì)量守恒可從farve平均的相分數(shù)轉(zhuǎn)換為
17、
18、步驟六、對vof動量控制方程做les濾波并引入farve平均后得到，為體積平均應力，為亞格子應力，為體積平均表面應力：
19、
20、步驟七、對未封閉亞格子應力使用以下模型：
21、
22、其中，vv為因界面存在所產(chǎn)生的不均勻性相關(guān)擴散系數(shù)，計算公式為：
23、vv＝dvscv
24、步驟八、為主要因各向同性湍流而產(chǎn)生的亞格子尺度應力，計算公式為：
25、
26、其中，湍流粘度系數(shù)vt采用常規(guī)smagorinsky模型，cs為無量綱經(jīng)驗系數(shù)，界面處湍流強度逐漸衰減為0，通過界面函數(shù)φ(α)對界面處的vt進行限制；
27、步驟九、當靠近界面附近時擴散系數(shù)主要vv，而遠離界面附近時dv＝0，擴散系數(shù)退化為vt，在連續(xù)表面張力模型基礎(chǔ)上引入表面密度對表面張力項進行封閉，其中忽略了界面曲率亞格子脈動，每個les網(wǎng)格的面密度涵蓋了亞格子脈動對表面張力的貢獻，公式為：
28、
29、其中，為體積平均面密度，σ為液體表面張力系數(shù)；
30、步驟十、通過建立單位質(zhì)量farve平均表面積輸運方程，對表面密度進行封閉，公式為：
31、
32、其中，為源項，對其用以下公式建模：
33、
34、其中，為無量綱數(shù)，τv為湍流時間尺度；
35、步驟十一、σ*為在湍流時間尺度內(nèi)當?shù)孛婷芏犬a(chǎn)生和耗散的平衡值，其由當?shù)刈钚∶婷堞襪in和平衡量σequ組成，本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種可用于旋流杯霧化的顯式體積Σ-Y霧化大渦模擬仿真方法，其特征在于：在平均網(wǎng)格尺度與最小液滴直徑之比大于10的較粗網(wǎng)格下用于一次霧化和二次霧化的計算，所述一次霧化和二次霧化含有多尺度液滴流，定義為:
2.如權(quán)利要求1所述的一種可用于旋流杯霧化的顯式體積Σ-Y霧化大渦模擬仿真方法，其特征在于：所述方法的具體步驟如下：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種可用于旋流杯霧化的顯式體積σ-y霧化大渦模擬仿真方法，其特征在于：在平均網(wǎng)格尺度與最小液滴直徑之比大于10的較粗網(wǎng)格下用于一次霧化和二次霧化的計算，所述一次霧化...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王柏森，李沛函，
申請(專利權(quán))人：北京航空航天大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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