發(fā)布時間：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典型的可壓縮兩相流問題進行了研究。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)格邊界與界面時時重合的非結(jié)構(gòu)界面網(wǎng)格,而在遠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,將表征流體運動的守恒型歐拉方程在ALE框架下離散成有限體積方程并進行數(shù)值求解。利用切割網(wǎng)格中流體位置的對稱性和旋轉(zhuǎn)對稱性,顯著降低了界面網(wǎng)格生成的復(fù)雜性;同時與之前的二維方法(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求解的精度。通過模擬幾個典型的可壓縮兩相流動問題驗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力學(xué)過程分為前、中、后三個時期分別進行了討論。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動、液滴迅速擠壓變形。由于液層運動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)型下上游液層運動依次變快、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間的變化規(guī)律以及液滴界面演化的動力學(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,它們在液滴內(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。液滴迎風(fēng)面駐點和壁面駐點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動;與此同時,液滴45度角處的流體被擠成尖角,隨后逐漸演化成細長的液絲。在同心構(gòu)型中,通過改變氣泡初始半徑進行對比研究,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、氣泡振動和液滴能量波動,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的液滴動能和氣泡初始體積成正相關(guān)的線性關(guān)系,液滴動能越大導(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、改變偏心距離進行對比研究,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的液滴動能越大,因而誘導(dǎo)氣泡塌陷越劇烈、壁面最大壓強越高;我們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣泡遠離壁面、上游液層較薄時,液滴上游會產(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；實驗測試表??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??（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。??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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本文編號：2882269