气流作用下液滴撞击圆柱外表面流动与换热研究

摘要

液滴撞击加热壁面过程广泛存在于生活、生产过程中，该过程具有较强的质热交换能力且对相关设备的有效运行有着重要的影响。目前，学术界对液滴依靠自身重力垂直撞击常温水平壁面已进行了较为全面、深入的研究，但对液滴撞击加热非水平壁面，特别是对液滴受到气流的作用而不能垂直撞击到壁面上的相关研究较少，其中的关键流动和换热特征有待深入探索，所以本文采用数值模拟方法对液滴撞击圆柱外表面的动力学过程及换热过程进行了系统的研究。
　　采用 CLSVOF方法结合相变模型对液滴撞击圆柱外表面进行了三维数值模拟，分析了撞击过程中液滴沿壁面直径及母线方向上的形态变化与换热特点，总结了液滴产生破裂的原因以及破裂位置与撞击速度之间的关系。
　　通过对撞击过程中液滴速度矢量图、形态相图、温度分布图及壁面热流相图的分析，得出了液滴铺展初期在三相接触线处和液滴破裂边缘处扰动较大，产生了蒸汽旋涡作用，强化了此处液滴与壁面间的换热，是液滴温升最快的两个位置。分析了壁面温度、接触角、撞击速度以及曲率比对液滴撞击圆柱外表面的铺展情况及蒸发换热的影响。结果表明：在较短时间内，壁面温度对液滴蒸发的影响较小具有滞后性，但接触角与撞击速度对液滴蒸发量影响较大；对不同曲率比条件下液滴在运动过程中的受力进行作图分析，指出了曲率比越大，液滴自身重力分力对其在铺展过程中的促进作用越明显即有助于液滴与壁面间的换热，特别是曲率比为0.5的液滴其与壁面间的换热效果远强于其他两组参数。
　　对有气流作用下液滴撞击圆柱外表面过程进行了三维数值模拟，通过对液滴铺展过程中的受力情况进行分析得出，气流速度越小液滴偏离撞击点的径向位移越小，且速度较小的气流，对液滴反向铺展的阻碍作用较弱，有助于液滴的铺展。换热方面，气流速度越小，液滴在反向铺展三相接触点处与液滴中心最高点处的壁面热流密度越大，综上所述，横向气流速度越小对液滴与壁面间的换热越有利。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 液滴撞击的研究进展

1.2.1 理论研究

1.2.2 实验研究方法

1.2.3 数值模拟方面

1.3 液滴碰撞现象当前研究的不足

1.4 本文研究内容

2 液滴撞击加热壁面数值模拟基本理论

2.1 气液两相流相界面捕捉方法

2.1.1 界面追踪的VOF法

2.1.2 界面追踪的Level Set方法

2.1.3 界面追踪的CLSVOF方法

2.2 数学模型及控制方程

3 液滴撞击加热圆柱外表面数值模拟

3.1 物理模型的建立与验证

3.2 液滴撞击加热圆柱外表面流动与换热特性分析

3.2.1 液滴铺展形态分析

3.2.1 温度分布分析

3.2.1 热流密度分布分析

3.3 参数对液滴撞击加热圆柱外表面运动及换热情况的影响

3.3.1 壁面温度的影响

3.3.2 接触角的影响

3.3.2 撞击速度的影响

3.3.2 曲率比的影响

3.4 本章小结

4 气流作用下液滴撞击加热圆柱外表面的数值模拟

4.1 物理模型

4.2 气流作用下液滴撞击加热圆柱外表面运动及换热特性分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢