脉冲气液两相射流雾化的数值模拟和试验研究

　　0引言

　　脉冲气压喷雾水枪利用脉冲气压喷雾技术,以压缩空气作为动力,在极短的时间内超快开启电磁阀排出,推动储水筒中的水以极高的速度喷出,瞬时产生 高速雾化水流,冲人火灶中心,产生冷却、窒息、隔离效应,从而达到灭火目的。随着计算机运行速度的飞速提升及并行计算的推广,大涡模拟的应用日益广泛。目 前,单相流大涡模拟(LES)已普遍用于科学研究和工业生活当中。气液两相流!多相流大涡模拟正成为国外研究的热点。目前,国内尚无开展大尺寸射流雾化方 面的大涡模拟研究。采用气液两相流大涡模拟方法研究射流雾化的主要优点是:不需要破碎模型!液滴碰撞聚合模型,液滴分裂、碰撞、聚合是直接求解;同时,能 够考虑速度脉动对射流表面波发展的影响;另外,大涡模拟的计算精度接近直接数值模拟结果,能够提供精细的喷束结构及流场信息。

　　文中将采用两相流大涡模拟方法,结合多相流体积分数方法(multiphase volutne-of-flud，VOF)对脉冲气液喷雾水枪近喷口区域的射流雾化特性进行研究"结合实验结果验证数值计算的可靠性。

　　1数值计算

　　1.1控制方程和数值方法

　　瞬态不可压、不相溶、等温、定粘度且存在表面张力的两相牛顿流Navier一Stokes方程:

　　式中:u—速度;

　　ρ—流体密度;

　　F—表面张力;

　　g—重力:

　　μ—流体粘度;

　　—湍流粘度;

　　T—转置

　　式(1)为连续性方程,式(2)为动量守恒方程。

　　式(2)考虑了压力、湍流、表面张力、重力对流动的影响。

　　控制方程的时间离散采用Crank一NICholson格式(二阶精度),动量方程的扩散相采用二阶精度的中心差分格式。由于液体体积分数的相 界面两侧存在一个阶跃,为了避免发散,对流相需要采取GaussvanLeer差分格式。动量方程的对流相采用Gauss linear差分。压力、速度场藕合采用PISO算法。

　　1. 2计算域确定及网格划分

　　文中计算的水枪喷口直径为70 mm，启喷压力为40 MPa，储气筒内空气压力为2. 5 MPa。液体密度为998 kg/mj，液体运动粘度为1. 004 X10-6 m²/s，气体运动粘度为8. 5 X 10^-7m²/s，表面张力系数为0. 0261 kg/s² 。

　　为了研究近喷口区域的射流雾化特性，计算域是喷口下游直径为350 mm，长为2 000 mm的圆柱形区域。一计算域的网格单元数为22X10'0计算域和网格划分如图1所示。

　　1. 3计算结果与分析

　　根据初始条件，采用Fluent软件的LES大涡模型，对脉冲气压喷雾水枪近喷口区域内2 m范围的射流雾化进行了模拟。