發(fā)布時(shí)間：2020-11-13 13:57

　　 可壓縮多相流現(xiàn)象不僅涉及到大量自然界現(xiàn)象和工程應(yīng)用,還是流體力學(xué)的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題。本文發(fā)展了一種適用于模擬可壓縮兩相流的守恒型尖銳界面數(shù)值方法;基于該方法,對(duì)平面激波沖擊壁面附近含泡液滴和壁面附著含泡液滴兩個(gè)典型的可壓縮兩相流問題進(jìn)行了研究。主要工作內(nèi)容及研究結(jié)論如下:(1)結(jié)合切割網(wǎng)格方法和arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE)框架下的有限體積法,提出了適用于模擬二維和三維可壓縮多相流的守恒型尖銳界面數(shù)值方法�；�于笛卡爾網(wǎng)格,首先使用切割網(wǎng)格重構(gòu)-組裝技術(shù)在界面附近生成網(wǎng)格邊界與界面時(shí)時(shí)重合的非結(jié)構(gòu)界面網(wǎng)格,而在遠(yuǎn)離界面的地方保持結(jié)構(gòu)笛卡爾網(wǎng)格;然后在結(jié)構(gòu)-非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格上,將表征流體運(yùn)動(dòng)的守恒型歐拉方程在ALE框架下離散成有限體積方程并進(jìn)行數(shù)值求解。利用切割網(wǎng)格中流體位置的對(duì)稱性和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,顯著降低了界面網(wǎng)格生成的復(fù)雜性;同時(shí)與之前的二維方法(Lin e6 al.,2017)相比,新的網(wǎng)格組裝技術(shù)有效避免了體積過大的界面網(wǎng)格出現(xiàn),從而保證了界面附近流動(dòng)求解的精度。通過模擬幾個(gè)典型的可壓縮兩相流動(dòng)問題驗(yàn)證了本方法的精確性和魯棒性。(2)數(shù)值模擬研究了平面激波沖擊壁面附近含泡液滴問題,研究了氣泡與液滴同心、左偏心和右偏心三種構(gòu)型。本文將波系和界面演化的動(dòng)力學(xué)過程分為前、中、后三個(gè)時(shí)期分別進(jìn)行了討論。演化前期,液滴尚未發(fā)生明顯變形,液滴內(nèi)鋸齒波系及其誘導(dǎo)波系的產(chǎn)生和傳播是這一階段的主要流動(dòng)特征。我們發(fā)現(xiàn),鋸齒波系由液滴內(nèi)交替的周期性壓縮波和膨脹波組成,并在氣泡內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生同周期、漣漪狀的壓縮波系。演化中期,在氣流高壓和氣泡內(nèi)低壓的持續(xù)壓差作用下,上游和下游液層相向加速運(yùn)動(dòng)、液滴迅速擠壓變形。由于液層運(yùn)動(dòng)加速度和液層厚度成反比,因此左偏心、同心和右偏心三種構(gòu)型下上游液層運(yùn)動(dòng)依次變快、變形依次變大,而下游液層反之。演化后期,上游和下游液層相向撞擊,產(chǎn)生水錘激波和反彈射流,撞擊時(shí)液層厚度和速度的差異導(dǎo)致了反彈射流方向的多樣性。(3)數(shù)值模擬研究了平面激波沖擊壁面附著含泡液滴問題,考慮了純液滴、同心含泡液滴和偏心含泡液滴三種構(gòu)型。在純液滴構(gòu)型中,主要研究了液滴內(nèi)壓力波傳播和液滴能量隨時(shí)間的變化規(guī)律以及液滴界面演化的動(dòng)力學(xué)過程。我們發(fā)現(xiàn)液滴內(nèi)壓力波在液滴界面和壁面之間反復(fù)地撞擊反射,并交替地產(chǎn)生壓縮波和膨脹波,它們?cè)谝旱蝺?nèi)周期性地來回傳播并誘導(dǎo)了液滴內(nèi)能的周期性波動(dòng)。液滴迎風(fēng)面駐點(diǎn)和壁面駐點(diǎn)附近的流體由于受到持續(xù)高壓氣流的擠壓作用,逐漸向液滴中心凹陷運(yùn)動(dòng);與此同時(shí),液滴45度角處的流體被擠成尖角,隨后逐漸演化成細(xì)長(zhǎng)的液絲。在同心構(gòu)型中,通過改變氣泡初始半徑進(jìn)行對(duì)比研究,深入探討了液滴內(nèi)塌陷壓力波傳播、氣流中脈沖壓縮波傳播、氣泡振動(dòng)和液滴能量波動(dòng),并揭示了它們之間的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)氣泡首次塌陷到最小時(shí)的液滴動(dòng)能和氣泡初始體積成正相關(guān)的線性關(guān)系,液滴動(dòng)能越大導(dǎo)致氣泡塌陷越劇烈。氣泡塌陷產(chǎn)生的極高壓力在液滴內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生高強(qiáng)度的塌陷壓力波,其在液滴內(nèi)周期性傳播的規(guī)律和純液滴構(gòu)型類似,不僅如此,塌陷壓力波還在液滴內(nèi)外界面分別誘導(dǎo)氣泡次頻振動(dòng)和氣流中同頻率脈沖壓縮波。在偏心構(gòu)型下,保持氣泡體積不變、改變偏心距離進(jìn)行對(duì)比研究,我們發(fā)現(xiàn)氣泡越靠近壁面的情況下氣泡首次塌陷到最小時(shí)的液滴動(dòng)能越大,因而誘導(dǎo)氣泡塌陷越劇烈、壁面最大壓強(qiáng)越高;我們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣泡遠(yuǎn)離壁面、上游液層較薄時(shí),液滴上游會(huì)產(chǎn)生逆向射流。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O359
【部分圖文】：

ｅｎ，２０００）。在地?zé)釓U熱回收應(yīng)用中，可變相潤輪機(jī)的多相噴嘴用??于閃蒸，并將工作流體加速成主要由液滴和氣體組成的高速兩相射流；實(shí)驗(yàn)測(cè)試表??明（Ｗｅｌｃｈ?＆?Ｐａｔｒｉｃｋ，?２００９），較大的液謫傾向于在轉(zhuǎn)子葉片上聚集形成薄膜，從而對(duì)??（ａ）?（ｂ）??Ｃｏｈｓｓｉｗ＊?Ｐｒｉｍａｒｙ?ｂｒｅａｋｕｐ?Ｓ＊ｃｍｄ？ｒｙ?ｂｒｅａｋｕｐ??＾?｜?Ｓｐｒａｙ?ｆｏｒｍａｔｉｏｎ?？?ＡｔｏｍｉｚａｔＭｎ?２〇ｎ？??Ｂｏｕｎｄｓ％９ｐｍｗ＾ｂｎ?｜?ｊ＾Ｂ＾ｃｂｏｏ??圖１．１液滴氣動(dòng)變形破碎在工程應(yīng)用中的示例。（ａ）液體射流噴射到高速橫流中的示意圖??（Ｐｅｒｕｒｅｎａ?ｅｉ?ａ／．，２００９），（ｂ）飛行器雨中飛行。??－１－??

１．１研宄背景???；■圍國??＿酬??（ｂ）??圖１．２氣泡塌陷在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的示例。（ａ）氣泡和血管的相互作用（Ｃｈｅｎ打ａ／．，２０１１）：上??圖表示氣泡在血管內(nèi)膨脹－壓縮并導(dǎo)致血管壁變形，下圖表示氣泡在血管壁附近塌陷產(chǎn)生射流。??（ｂ）仿生巨螯快速閉合產(chǎn)生空化氣泡（如－１．５００ｍｓ所示）和射流（如－０．２５０ｍｓ所示）（Ｔａｎｇ?＆??Ｓｔａ，ａｃｋ，２０１９）。??－２－??

第一章緒論??＊）?ＶＩ？？ｔＡＴｌ〇ＭＡｌ?ＳＡＣＡＫＵＰ??ｂ）?ＳＡＧ?？ＤＣＡＫＵｆ？??４?〇?０賴露??ＯＥＦＯＡＭＡＴＩＯＮ?ＢＡＧ?ＧＲＯＷＴＨ?ＳＡＧ?ｉＵ？？ＳＴ?ＲｔＭ?８ＲＥＡＫＵＰ??Ｃ）?＿ＡｄＡＮＤ．ＳＴＡＭＣＮ?？ＡＳＡＫＵ＿??５０ＳＷｔ＜?１００?〇?？，??Ｏ?（］?掉。濟(jì)。??ｍ＼?５？ｆＥＴ?ＳＴＷＷＨＧ?，？？?？??１Ｑ０ＳＷ？＾３Ｓ０?／？＝＊?＊，?Ｖ－??＾?〇?［？?？?Ｃｌ?＾??．Ｘ?＊??ｂ＞?ＷＡＶＳ?Ｃ？ｉＳＴ?ＳＴＷＰＷＮＧ?，??３￥？?Ｓ?Ｗ＊?＊？入？?？??ｃ）?ＣＡＳＴＡＳＴ＾ＯＰＨｔＣ?＊？ｔＡＫＵ＾??３５０?ＳＷ＊?？＊，〇：?，?＇??戀．＿?＿??圖１．３傳統(tǒng)破碎模式劃分示意圖（Ｐｉｌｃｈ?＆?Ｅｒｄｍａｎ，?１９８７）。??－５－??
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