[发明专利]可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法

说明书

本发明提供一种可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法，涉及精细雾化领域。本发明运用数值模拟方法实现了三维模型空间中从跨音速流场的产生到其内液体粒子破碎的过程的仿真，所建立的数值模型与计算步骤可为不同形状的基于拉瓦尔机构的喷管内部的跨音速流场内液体破碎过程、破碎机理、粒子位置分布、粒径分布以及粒子速度分布等进行三维状态的可视化和分析，所建数值模型对不同气流入口、出口边界条件的流动中不同液体粒子的初始条件下的破碎过程与结果提供准确预测和最直观的理论依据。

技术领域

本发明涉及精细雾化领域，尤其涉及可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法。

背景技术

拉瓦尔喷管是一种空气控制结构，它能够通过在入口边界施加高压空气流动，并结合拉瓦尔喷管自身缩扩结构，将空气从亚音速加速至超音速。跨音速雾化是一种通过拉瓦尔喷管加速空气破碎液柱的方法，在跨音速流场中液柱被超高速度气体破碎成微米级雾滴粒子，这个过程所产生的大量的微细雾滴能够应用在除尘领域，并达到对呼吸性粉尘的高效捕捉，所形成的气液两相雾幕能够有效的将尘源与工人隔绝，一方面防治粉尘扩散逃逸，另一方面也能起到增加空气湿度降低空气温度的作用。为了实现这一过程，并且响应国家节能减排的方针，需要对这个复杂的过程有更加深入的研究，由于跨音速的流动雾化过程时机器复杂的，而且通过实验研究不仅耗时费力，而且难度很大，因此需要应用数值模拟的方法去深入研究这个过程，然而现有的模拟方法并不能很好的支持相关研究。

现有的模拟方法大致可分为三种，一种是单纯的跨音速流场模拟，一种是二维的流场模拟和粒子破碎模型，一种是单纯的横向稳定超音速流场的粒子破碎过程。这三种方法都不能为我们提供三维跨音速流场内的液滴破碎雾化与粒子追踪，我们便无从研究真实的三维状态的雾滴分布，因此就不得不探索出一种可以满足我们研究需要的模拟方法。由此，基于模拟软件COMSOL发明了一种可压缩流体的跨音速流场内液滴破碎追踪的三维数值模拟方法，为相关的研究提供了一种可行的技术方法支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法。该方法运用数值模拟方法实现了三维模型空间中从跨音速流场的产生到其内液体粒子破碎的过程的仿真，所建立的数值模型与计算步骤可为不同形状的基于拉瓦尔机构的喷管内部的跨音速流场内液体破碎过程、破碎机理、粒子位置分布、粒径分布以及粒子速度分布等进行三维状态的可视化和分析，所建数值模型对不同气流入口、出口边界条件的流动中不同液体粒子的初始条件下的破碎过程与结果提供准确预测和最直观的理论依据。

本发明所采取的技术方案是：可压流体跨音速流动过程中的液滴雾化三维数值模拟方法；包括以下步骤：

步骤1：利用数值模拟软件生成拉瓦尔结构侧壁曲线的参数方程，利用求出的参数方程在二维轴对称空间模块内建立拉瓦尔结构几何实体模型；

步骤2：建立二维轴对称流场计算数值模型并设定入口、出口边界条件；

步骤3：对流场几何模型进行非结构化网格划分与网格参数设定；

步骤4：利用稳态计算方法对拉瓦尔管内的可压缩跨音速流场分布结果进行计算；

步骤5：将稳态计算结果导出生成流场数据参数方程；将计算跨音速流场各点的气体温度、气体压力、气体密度、气体动力粘度、气体的轴向、法向和切向三个方向的速度的结果导出为txt文件，生成三维基底的参数方程；

步骤6：绘制拉瓦尔结构侧壁曲线，在三维空间中利用空间平面旋转生成三维拉瓦尔结构内气体实体几何模型；

步骤7：建立可压缩流体跨音速管内流动中粒子破碎追踪数值模型；

步骤8：根据跨音速流场内液体粒子破碎机理对几何模型进行非结构化网格划分并向轴对称网格近似，进一步确定瞬态计算的初始时间、时间步、终止时间；