液体射流喷嘴模拟测试

喷嘴喷雾过程的模拟如同燃烧模拟一样，喷雾的模拟也可分为准维模型和多维模型，二者都是为了揭示喷嘴喷雾的破碎机械原理。准维模拟模型通常采用的方法是，在一定假设的基础上根据流体力学中的一些基本理论，如动量守恒、湍流自由射流等，推导出根据喷射工况和燃料及气体特征参数估算贯穿度和锥角的经验公式。喷雾过程的准维模型可分为油气模型和油滴模型两大类。
喷雾过程的多维数值模拟喷雾过程的多维数值模拟主要是依靠两相流和统计力学的理论，从而得到气液两相流中的气相流场和液相流场参数随时空的变化。多维模型则可以很好的模拟整个过程。燃油射出喷孔后发生一系列互相耦合的物理过程，历经初次破碎、二次破碎，同时还经历拉伸、碰撞、聚合、湍流扩散、蒸发等过程或者还发生喷雾碰壁，从而逐步与空气混合。初次破碎在靠近喷嘴且Weber数很高的情况下发生，不仅与液、气两相的交互作用有关，还与喷嘴内部的流动现象如湍流和空化有关。二次破碎在远离喷孔的喷雾下游发生，与喷嘴的类型关系不大，主要取决于外部空气动力作用。常用的破碎模型如WAVE模型、TAB模型、ETAB模型、FIPA模型、KH-RT模型等。
考虑到柴油机喷雾是由尺寸各异的大量细微油滴、燃油蒸气与空气组成的两相混合物，液相的存在使得气相射流模型不能模拟和反映喷雾的物理本质，因此在多维模型中以两相流喷雾模型为主。目前在喷雾过程的数值模拟中，被广泛应用的是连续液滴模型(CDM)和离散液滴模型(DDM)。离散液滴模型把流体相作为连续介质，以欧拉方式研究其流场，而把颗粒(液滴)相作为离散体系，格朗日运动坐标系研究颗粒或颗粒群在流场中的动力学和热力学特性(如颗粒轨道及其传热传质过程等)，故可称为欧拉-拉氏法；而连续液滴模型则不仅把流体相作为连续介质，同时也把颗粒相视为拟连续介质或拟流体，认为后者在空间中有连续的速度、温度等参数分布及等价的输运性质(黏性、扩散和导热等)，因而称为欧拉-欧拉法或双流体法。喷头二者的共同点是，它们都从燃油喷雾具有气液两相结构这一基本事实出发，着重模拟发生在气液交界面上的相互作用，即两相之间的质量、动量和能量交换过程。为此，必须同时求解两相的各控制方程，但二者求解的思路和方法是完全不同的。
CDM模型是通过统计力学中的Louville守恒原理，得到表达所有液滴的运动方程，大多数情况下方程包括不少于8个独立变量，即三个空间坐标、时间、液滴半径、液滴速度矢量的三个分量。此法可以为喷雾场提供全面详尽的描述，然而由于其工作量太大，现阶段难以应用于实际工程问题。目前，研究和应用的重点放在DDM方法上。DDM模型基于蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法，考虑离散液滴中一个有代表性的样本(液体包)，用拉格朗日方式跟踪这些油滴样本的运动，即求解描述其运动轨迹和传热传质过程的一组常微分方程。液滴对气相的影响则在气相守恒方程中加入相应的源项来考虑。这种模型的优点是，能较好地描述液滴的状态及液滴与气相之间的相互作用，并且能够消除液相流动求解中的数值扩散所引起的误差。由于液相控制方程成为液滴控制方程，简化为由液滴质量、动量和能量守恒方程组成的常微分方程组，采用简单的Runge－Kutta 法即可求解。对气相流场的求解按其物理观察坐标的不同通常可分为Eulerian 法、Lagrangian 法和Eulerian-Lagrangian 法。
根据对流体力学控制方程所采用的离散方法，可以将数值解法分为有限差分法、有限容积法、有限元法、有限分析法、边界元法和谱分析法等。工业喷嘴其中，有限容积法由于它的离散方程的守恒性自动得到保证，并可以在任意形状的网格下实施的优点，因此在目前计算流体力学领域占主导地位。