Моделирование распада пленки на капли в результате развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.4.33Ключевые слова:
неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, метод объема жидкости, двухмерные течения, распыл жидкости, средний заутеровский диаметрАннотация
В статье с помощью метода объема жидкости изучается срыв набегающим высокоскоростным потоком воздуха капель с поверхности жидкой пленки (в качестве жидкости была рассмотрена вода) в результате развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Разработан подход к моделированию первичного распада, и на его основе исследована сеточная сходимость и выбран оптимальный размер элементов сетки, а также проведен расчет первичного распада пленки в канале. Получены зависимости усредненных величин угла отброса, модуля скорости и среднего зáутеровского диаметра капель от продольной по отношению к каналу координаты Показано, что последовательное усреднение по ансамблю капель и по времени позволяет построить гладкие координатные зависимости характеристик ансамбля капель. При этом значение наиболее важного для инженерных приложений параметра - среднего зáутеровского диаметра D32(его величина равна отношению среднего объёма капель к их средней площади), оказывается близким к тому, которое можно получить по полуэмпирической формуле, известной из литературы, построенной на основе эксперимента, в котором жидкий воск распылялся высокоскоростным потоком. Характер зависимости среднего зáутеровского диаметра от толщины слоя жидкости в качественном отношении также согласуется с найденным в эксперименте. Исследование сеточной сходимости показало, что число самых мелких капель быстро растет при уменьшении пространственного шага сетки. Однако вклад от этих капель в усредненные характеристики остается незначительным, вследствие чего не имеет смысла уменьшать размер ячейки сетки для учета мелких капель.
Скачивания
Библиографические ссылки
Luo H., Svendsen H.F. Theoretical model for drop and bubble breakup in turbulent dispersions // AIChE J. -1996. - Vol. 42, no. 5. - P. 1225-1233.
2. Lehr F., Millies M., Mewes D. Bubble-Size distributions and flow fields in bubble columns // AIChE J. - 2002. - Vol. 8, no. 11. - P. 2426-2443.
3. O’Rourke P.J., Amsden A.A., The TAB method for numerical calculation of spray droplet breakup // SAE Technical Paper. - 1987. - 872089.
4. Beale J.C., Reitz R.D. Modeling spray atomization with the Kelvin-Helmholtz/Rayleigh-Taylor hybrid model // Atomization Spray. - 1999. - Vol. 9. - P. 623-650.
5. Ménard T., Tanguy S., Berlemont A. Coupling level set/VOF/ghost fluid methods: Validation and application to 3D simulation of the primary break-up of a liquid jet // Int. J. Multiphase Flow. - 2007. - Vol. 33, no. 5. - P. 510-524.
6. Berlemont A., Bouali Z., Cousin J., Desjonqueres P., Doring M., Menard T., Noel E. Simulation of liquid/gas interface break-up with a coupled Level Set/VOF/Ghost Fluid method // Proc. 7th Int. Conf. on Computational Fluid Dynamics (ICCFD7-2105), Big Island, Hawaii, July 9-13, 2012.
7. Desjardins O., McCaslin J., Owkes M., Brady P. Direct numerical and large-eddy simulation of primary atomization in complex geometries // Atomization Spray. - 2013. - Vol. 23, no. 11. - P. 1001-1048.
8. Mehravaran K. Direct simulations of primary atomization in moderate-speed diesel fuel injection // Int. J. Mater. Mech. Manuf. - 2013. - Vol. 1, no. 2. - P. 207-209.
9. Ling Y., Fuster D., Tryggvason G., ScardovelliR., Zaleski St. 3D DNS of spray formation in gas-assisted atomization // Proc. XXIV International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, Montreal, Canada, 21-26, August, 2016.
10. Chaussonnet G., Riber E., Vermorel O., Cuenot B., Gepperth S., Koch R. Large Eddy Simulation of a prefilming airblast atomizer // Proc. 25th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Chania, Greece, 1-4 September, 2013.
11. Jeffreys H. On the formation of water waves by wind // P. Roy. Soc. Lond. A Mat. - 1925. - Vol. 107, no. 742. - P. 189-206.
12. Andritsos N., Hanratty T.J. Interfacial instabilities for horizontal gas-liquid flows in pipeline // Int. J. Multiphase Flow. - 1987. - Vol. 13, no. 5. - P. 583-603.
13. Tian Ch., Chen Y. Numerical simulation of Kelvin-Helmholtz instability: a two-dimensional parametrical study // The Astrophysical Journal. - 2016. - Vol. 824, no. 1.
14. Lee H.G., Kim J. Two-dimensional Kelvin-Helmholtz instabilities of multi-component fluids // Eur. J. Mech. B-Fluid. - 2015. - Vol. 49, Part A. - P. 77-88.
15. Woodmansee D.E., Hanratty Th.J. Mechanism for the removal of droplets from a liquid surface by a parallel air flow // Chem. Eng. Sci. - 1969. - Vol. 24, no. 2. - P. 299-307.
16. Raynal L. Instabilite et entrainement a l’interface d’une couche de melange liquide-gaz // PhD thesis. - Grenoble: Université J. Fourier, 1997. - 231 p.
17. Jerome J.J.S., Marty S., Matas J.-Ph., Zaleski St., Hoepffner J. Vortices catapult droplets in atomization // Phys. Fluids. - 2013. - Vol. 25, no. 11.
18. Ebner J., Gerendás M., Schäfer O., Wittig S. Droplet entrainment from a shear-driven liquid wall film in inclined ducts: experimental study and correlation comparison // Proc. ASME Turbo Expo 2001, New Orleans, Louisiana, USA, June 4-7, 2001. - Paper No. 2001-GT-0115.
19. Шаланин В.А. Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной поверхностью // Молодой ученый. - 2016. - № 2(106). - С. 258-261.
20. Леонов А.А., Чуданов В.В., Аксенова А.Е. Методы прямого численного моделирования в двухфазных средах // Труды ИБРАЭ РАН / Под общ. ред. чл.-кор. РАН Л.А. Большова. - М.: Наука, 2013. - Вып. 14. - 197 с.
21. Любимов Д.В., Любимова Т.П. Об одном методе сквозного счета для решения задач с деформируемой поверхностью раздела // Моделирование в механике. - 1990. - T. 4(21), № 1. - С. 136-140.
22. Brackbill J.U., Kothe D.B., Zemach C. A continuum method for modeling surface tension // J. Comput. Phys. - 1992. - Vol. 100, no. 2. - P. 335-354.
23. Senecal P.K., Schmidt D.P., Nouar I., Rutland C.J., Reitz R.D., Corradini M.L. Modeling high-speed viscous liquid sheet atomization // Int. J. Multiphas. Flow. - 1999. - Vol. 25, no. 6-7. - P. 1073-1097.
24. Dombrowski N., Hooper P.C. The effect of ambient density on drop formation in sprays // Chem. Eng. Sci. - 1962. - Vol. 17, no. 4. - P. 291-305.
25. Dombrowski N., Johns W.R. The aerodynamic instability and disintegration of viscous liquid sheets // Chem. Eng. Sci. - 1963. - Vol. 18, no. 3. - P. 203-214.
26. Строкач E.А., Боровик И.Н. Численное моделирование процесса распыливания керосина центробежной форсункой // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. - 2016. - № 3(108). - C. 37-54.
27. Mayer E. Theory of liquid atomization in high velocity gas streams // ARS Journal. - 1961. - Vol. 31, no. 12. - P. 1783-1785.
28. Weiss M.A., Worsham C.H. Atomization in high velocity airstreams // ARS Journal. - Vol. 29, no. 4. - P. 252-259.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2017 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.