喷射湍流下液滴扩散与蒸发数值模拟

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雅宝题库解析：
发动机燃料液滴气相输运是综合性的流体力学应用题目，牵涉的物理过程涉及液滴在空气湍流中运动，扩散与蒸发。由于真实条件下的液滴直径几乎不超过1 毫米，试验手段上对液滴逐个进行跟踪研究非常困难。随着计算机硬件和数值计算领域的不断发展，数值模拟技术在弥补实验数据不足，探索研究新题目方面发挥着越来越重要的作用。本文在里昂中央理工大学流体力学实验室的支持下，使用数值模拟方法，对液滴在空气中的扩散与蒸发题目进行了研究。为了揭示液滴在湍流运动中的扩散与蒸发机制, 本文首先建立了流体运动以及液滴在流体中的相对运动模型。对流体粒子采用拉格朗日随机模型，结合二维平面喷射湍流性质对流体运动作出模拟，随后通过相对运动方程数值模拟液滴扩散运动，分析得到了决定液滴扩散的主要物理参数。此后，在考虑流体对液滴作用下，对传统液滴蒸发模型在湍流下的模型做出了修改, 在此基础上，将液滴湍流蒸发模型与拉格朗日随机模型相结合并作出合理简化，进一步优化了模拟结果，总结并分析了湍流运动对液滴蒸发与扩散的作用和影响, 理论估计了外界环境温度与空气相对湿度对液滴蒸发情况的影响，以及湍流对蒸发与扩散的促进作用。接下来，在相应的假设条件下给出了液滴在离散条件下的浓度定义，通过对液滴运动轨迹数据处理，分析了液滴在流体场的分布情况以及浓度变化，用直观的平面色块图方式给出了液滴浓度场的统计平均结果。模拟显示，初始直径50 m 和200 m 的水滴与丙酮液滴在2.5 秒的时间内扩散至距离入射口3 米的湍流外围区域，并快速蒸发完毕。在考虑重力场作用下，液滴蒸发速度加快，湍流对液滴运动作用时间减小，液滴扩散运动减弱。结果表明，本文设计的液滴湍流蒸发与扩散模型能够合理预测液滴在湍流场中的运动和蒸发，在合理的简化条件下给出满意的模拟结果。经过简化的模型具有良好的可用性和开发价值，对于今后开发综合性LES 大涡流体场模拟工作有重要的参考意义。