两相格子Boltzmann方法模_省略_密度比下双液滴冲击液膜的流动过

两相格子Boltzmann方法模_省略_密度比下双液滴冲击液膜的流动过程_李龙

５卷第６期　第３

０１５年６月　２动　力　工　程　学　报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｏｆＰｏｗｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎ　　　　　ｙｇｇ　Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．６　Ｊｕｎ．２０１５　

（）文章编号：１６７４７６０７２０１５０６０４５７０６Ｏ３５９　　　文献标志码：Ａ　　　学科分类号：４７０．１０－－－　　　中图分类号：

两相格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法模拟大密度比下

双液滴冲击液膜的流动过程

李　龙，　贾晓东，　刘永文，　苏　明

（）上海交通大学机械与动力工程学院，动力机械与工程教育部重点实验室，上海２００２４０

摘　要：基于两相格子Ｂ对大密度比下有一定水平间距的双液滴冲击液膜的流动ｏｌｔｚｍａｎｎ模型，

过程进行了仿真，模拟了不同液滴初始间距和不同雷诺数下液滴冲击液膜的动态过程，重点分析了

不同液滴初始间距和雷诺数下产生不同冲击和溅射现象的原因，以及不同参数对冲击和溅射行为

的影响．总结了中心位置水花溅射高度随时间的变化规律，并论述了冲击和溅射过程中的内在作用

机理．结果表明：在一定范围内，初始间距和雷诺数越大，中心位置水花溅射高度上升越快；随着雷

冲击、碰撞的程度越剧烈，中心位置水花顶端有液滴飞出．诺数的增大，

关键词：格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法；两相流；大密度比；液滴冲击

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＦｌｏｗＰｒｏｃｅｓｓｏｆＴｗｏＤｒｏｌｅｔｓｗｉｔｈＬａｒｅＤｅｎｓｉｔ　　　　　　　　　ｐｇｙ

ＩｍａｃｔｉｎｏｎＬｉｕｉｄＦｉｌｍｂＴｗｏｈａｓｅＲａｔｉｏ　　　　－ｐｐｇｑｙ　　

ＬａｔｔｉｃｅＢｏｌｔｚｍａｎｎＭｅｔｈｏｄ　　

ＬＩＬｏｎＩＡ　ＸｉａｏｄｏｎＩＵ　Ｙｏｎｗｅｎ，Ｕ　Ｍｉｎ　　Ｊ　Ｌ　Ｓｇ，ｇ，ｇｇ

（，ＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｆｏｒＰｏｗｅｒＭａｃｈｉｎｅｒａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎｏｆＭｉｎｉｓｔｒｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ　　　　　ｙｙｙｇｇｙ　　　　　

，，）ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｈａｎｈａｉＪｉａｏｔｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＳｈａｎｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ　　　　　ｇｇｇｇｙｇ　

：，ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｌａｔｅｓｔｄｅｖｅｌｏｅｄｔｗｏｈａｓｅｌａｔｔｉｃｅＢｏｌｔｚｍａｎｎｍｏｄｅｌｔｈｅｆｌｏｗｒｏｃｅｓｓｏｆｔｗｏｄｒｏ　　　　　－ｐ　　　　　　　　－ｐｐｐ

，，ｌｅｔｓｉｍａｃｔｉｎｏｎｌｉｕｉｄｆｉｌｍ　ｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｈｉｃｈｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎｌｅｖｅｌｉｎｔｅｒｖａｌｗｉｔｈｌａｒｅｄｅｎｓｉｔｒａｔｉｏｗｈｉｌｅ　　　　　　　　　　　ｐｇｑｇｙ　　

ｒｏｃｅｓｓｔｈｅｄｎａｍｉｃｏｆｄｒｏｌｅｔｓｉｍａｃｔｉｎｏｎｌｉｕｉｄｆｉｌｍ　ｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｒｉｉｎａｌｄｉｓｔａｎｃｅｂｅ　　　　　　　　　　　　　－ｐｙｐｐｇｑｇ　

，，ｔｗｅｅｎｔｗｏｄｒｏｌｅｔｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔＲｅｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒｓｏａｓｔｏａｎａｌｚｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｏｒｉｉｎａｌｄｉｓｔａｎｃｅＲｅｎ　　　　　　　　　　　　　　－ｐｙｙｇｙ

，ｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒａｎｄｏｔｈｅｒａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｉｍａｃｔｉｎａｎｄｓｌａｓｈｉｎｂｅｈａｖｉｏｒ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆ　　　　　　　　　　ｐｐｇｐｇ　　

，ｔｈｅｈｅｉｈｔｏｆｓｌａｓｈｅｄｗａｔｅｒｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅａｒｅａｗｉｔｈｔｉｍｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉａｔｅｄａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｉｍａｃｔｉｎ　　　　　　　　　　　　　　　　ｇｐｇｐｇ

，，ａｎｄｓｌａｓｈｉｎｗａｓａｌｓｏａｎａｌｚｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｉｔｈｉｎｃｅｒｔａｉｎｒａｎｅｔｈｅｌａｒｅｒｔｈｅｏｒｉｉｎａｌｄｉｓｔａｎｃｅ　　　　　　　　　　　ｐｇｙｇｇｇ　

，；ａｎｄｔｈｅＲｅｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒａｒｔｈｅｆａｓｔｅｒｔｈｅｒｉｓｅｏｆｔｈｅｓｌａｓｈｅｄｈｅｉｈｔｗｉｌｌｂｅｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅａｒｅａｌａｒｅｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｙｐｇｇ

，ｗｎｕｍｂｅｒｗｏｕｌｄｌｅａｄｔｏｓｔｒｏｎｅｒｉｍａｃｔｉｎｈｅｎｓｏｍｅｄｒｏｌｅｔｓｗｏｕｌｄｓｅａｒａｔｅｆｒｏｍｔｈｅｔｏｏｆＲｅｎｏｌｄｓ　　　　　　　　　　　　　ｇｐｇｐｐｐｙ　

ｔｈｅｓｌａｓｈ．　ｐ

：；；ＫｅｗｏｒｄｓＬａｔｔｉｃｅＢｏｌｔｚｍａｎｎｍｅｔｈｏｄｔｗｏｈａｓｅｆｌｏｗ；ｌａｒｅｄｅｎｓｉｔｒａｔｉｏｄｒｏｌｅｔｉｍａｃｔ　　－ｐ　　　ｇｙｐｐｙ　　

收稿日期：２０１４０５０５２０１４０７１５－－　　修订日期：－－

，）：作者简介：李　龙（男，安徽六安人，博士研究生，研究方向为：微尺度气液两相流及传热传质过程．电话（１９８８－）Ｔｅｌ．１５９２１４１５３６５；

：Ｅ－ｍａｉｌｌｉｌｏｎ３１５＠ｓｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．ｇｊ

４５８符号说明：

——修正组分分布函数ｈ—

——修正压力分布函数ｇ———迁移率Ｍ—

——粒子间作用力Ｆ—

——密度ρ———松弛时间τ—

——化学势μ———速度空间α方向权系数ｗα—

——动力学压力ｐ———组分数Ｃ—

——宏观流动速度ｕ—

　　　　　动　力　工　程　学　报　　　　

第３５卷　

——速度空间离散单位速度矢量ｅ—

——雷诺数Ｒｅ—

——无量纲时间Ｔ—

——液滴直径Ｄ—

——液滴初始冲击速度ｖｄ—

——中心位置溅射高度ｈ—

——折合溅射高度Ｈ—

———液滴初始间距ｓ

——折合初始间距Ｓ—

———计算时间步ｔ

——网格节点ｘ—

———运动黏度ν上标

———平衡态ｅｑ

——中心差分格式ＣＤ—

——有偏差分格式ＢＤ—

——混合差分格式ＭＤ—下标———液相ｌ

———气相ｖ

——速度空间离散方向α—

　　液滴冲击固体表面液膜是工业生产中常见的流动现象，在很多设备应用领域都会发生，如喷墨打燃油雾化和喷射、冷却塔喷淋、填料塔内喷淋传印、

质和饱和器内加热加湿等．液滴冲击过程是由一系列流动过程构成的复杂流动现象，包括液滴与液膜融合、碰撞、产生初步冲击、溅起水花、水花再融合以而这些喷淋、冲击和溅射过程往往都是在及断裂等．

填料塔、饱和器等设备的窄通道内完成的．当溅起的水花较高时，容易造成通道堵塞，形成液泛，这是工业生产中应努力避免的．很多学者对液滴冲击过程

］１５－

，实验和数值研究［但这些研进行了大量的理论、

界面进行重构，这不仅增大了计算量，而且相界面重构过程中容易产生质量不守恒和数值耗散问题．

［３］

ＺｈａｎＢＭ模型研究了单个液滴冲ｇ等基于两相Ｌ击液膜的过程，模型中的分子间作用势是通过状态

方程导出的，这种方法会在两相相界面处产生较大的伪势速度，而伪势速度会随两相密度比的增大而从而导致模型不稳定，模型所能研究的两相密增大，

［］度比也较小．Ｐａｎ等７将求解流动的Ｎ－Ｓ方程和

用ｌｌｅｖｅｌｓｅｔ方法相结合来模拟两相流，ｅｖｅｌｓｅｔ函－－

数追踪相界面，但这种模型属于宏观模型，无法捕捉到较小形变下的碰撞融合过程．

笔者所采用的两相格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ模型是Ｌｅｅ

８］

等［提出的模型（简称Ｌ该模型的优点主ｅｅ模型）．９］

（要体现在以下３个方面：以双分布模型［为基１）

究都是针对单个液滴冲击液膜或者２个液滴先后冲击液膜的情况，主要是研究液滴冲击后的水花在水平面上的铺展情况，而对水花高度上的研究则较少，但高度上的变化情况才是造成通道堵塞、形成液泛的关键因素．２个有一定水平间距的液滴冲击液膜的流动过程比单个液滴冲击形成的流动更为复杂，尤其是２个液滴冲击液膜后，２个液滴中间部分所这束水花比溅起的水花是由２束水花融合形成的，

单个液滴冲击形成的水花具有更大的垂直方向速度，更易引起通道堵塞，甚至引发液泛现象的发生．对这部分水花流动情况的研究和影响因素的探讨正是本文的研究重点．

近年来，格子Ｂ作为一种ｏｌｔｚｍａｎｎ方法（ＬＢＭ）与新型的计算流体力学方法引起了学者们的重视．传统数值方法相比，它是基于介观层次的动理学方程，具有物理意义清晰、算法简单及高度的并行特性在计算流体力学领域得到了广泛应用．王小等优点，

２，４，６］

永等［采用单相ＬＢＭ模型分别对单个液滴和２

并对演化方程右端采用梯形法近似求积分，极大础，

１０］

，地提高了模型的稳定性［模型能够充分考虑气液

（两相的相互影响，且无需重构相界面；通过将作２）用力的２种格式（势格式和应力格式）与具有较好各并采用Ｃ向同性的空间差分格式相结合，ａｈｎ－

基本消除了模型Ｈｉｌｌｉａｒｄ扩散方程来控制相界面，

］１０１１－

，相界面处的伪势速度［使得模型能够稳定模拟

（）大密度比下的两相流过程；为解决不同壁面条件３进下的流动问题，Ｌｅｅ提出了合适的壁面处理方法，一步扩大了模型的适用范围，使得模型能够处理各种壁面条件下的流动问题．