含周期脉动的低速射流破碎的数值模拟

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喷射成形是上世纪七十年代发展起来的金属加工工艺,雾化是该工艺的重要物理过程,喷嘴是实现雾化过程的核心部件。在超音速雾化喷嘴中,高速气体中的脉动对气液射流界面稳定性和雾化质量有很大影响,它引起的共振现象是雾化的主要机制之一。超音速雾化喷嘴工作时可能出现回流和反喷现象,影响其工作的可靠性。现有的研究认为这可能与喷嘴附近压力场分布有关。 尽管许多类型的超音速喷嘴被用来作为雾化的手段,但迄今为止对于脉动及其流场的响应等基本问题,人们认识得还不够深入。本文将对这些问题进行探讨。 由于喷射雾化的机理本身比较复杂,而且高密度比、多尺度等问题又给数值计算带来了困难,因此本文针对低速射流,引入周期性脉动速度,利用数值方法研究了两相流流场的共振特性以及共振对流场和界面运动、射流Rayleigh模式破碎特性的影响,分析了由此产生的脉动压力场的影响,力图为喷射雾化的研究打下基础,为解决喷嘴工作不可靠问题提供理论指导。 研究结果表明: 1)未加脉动时,压力的频谱分析显示系统存在两个峰值频率即射流系统线性扰动失稳频率和液滴脱落频率。当引入脉动速度时,若外加激励的频率等于射流系统线性扰动失稳频率,则射流核心长度明显减小,粒径分布更加集中,此时系统表现出明显的强迫共振的特性。若外加激励频率等于液滴脱落频率时,系统也表现出共振的特性,但并不明显。 2)对压力场的研究表明:在一个液滴脱落周期内,喷嘴附近压力场相对较为稳定,射流未破碎区的压力较周围环境压力要稍高;在液滴脱落区,压力变化较大。计算结果说明脉动的引入对压力场的影响不大。
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