液滴撞击液膜过程的格子Boltzmann方法模拟和实验研究

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液滴撞击固体表面液体薄膜是自然界和工业生产中普遍存在的现象,撞击后会产生铺展、飞溅、反弹等复杂流动现象。对液滴撞击固体表面液膜流动过程的研究在很多自然科学领域和工业应用领域具有重要的意义,并具有广泛的实际应用价值。格子Boltzmann方法(LBM)是一种模拟流体流动的介观方法,该方法具有物理意义清晰,良好的并行性,边界条件易于处理等特点,由于格子Boltzmann方法是一种动理学模型,在处理两相流问题时,相对传统的计算流体力学方法具有一定的优势。近年来格子Boltzmann方法模拟气液两相流动的研究取得了很大的进展,并逐渐成为一种有效的模拟方法。本文对腔体内液滴撞击固体表面液膜的两相流动过程进行了数值模拟,并对相隔一定距离的两个液滴,间隔一定时间相继撞击液膜时的流动过程进行了实验研究。主要开展了以下几方面的工作:1)采用LBM两相流伪势模型模拟了腔体内液滴撞击固体表面液膜的流动过程。该模型采用由非理想气体状态方程出发构造的伪势函数来描述流体粒子之间的相互作用力,从而来模拟气液两相流动。通过模拟两相分离和液滴融合现象,验证了此方法模拟两相流动的有效性。在此基础上,对腔体内液滴撞击液膜的流动过程进行了数值模拟,并分析了温度等因素的影响。2)采用双分布函数LBM两相流模型模拟腔体内液滴撞击固体表面液膜的流动过程。该模型将流体粒子间的作用力分别表示成势能形式和应力形式,依据这两种表示形式,构造了两个分布函数g a和fα,分布函数g a结合应力形式的分子间的作用力表达式,用来模拟动量和压力场;分布函数fα结合势能形式分子间的作用力表达式用来模拟密度场。通过对液滴融合现象的模拟验证了模型的有效性。采用此模型对液气密度比不同时,腔体内液滴撞击液膜的流动过程进行了数值模拟,着重研究了液气密度比对液滴撞击液膜后流动过程的影响。3)采用高速摄影仪记录了相隔一定距离的两个液滴,间隔一定时间相继撞击固体表面液膜后产生水花之间相互影响的流动现象,分析了一些流动现象产生的原因。
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