TransAT | 横向射流破碎雾化仿真模拟

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航空发动机加力燃烧室、冲压发动机燃烧室、超燃冲压发动机燃烧室通常采用液体燃料射流喷入横向气流中发生破碎雾化的方式实现掺混过程。

良好的雾化能够获得小尺寸的液滴并有效地增加液体燃料的表面积，有利于改善点火、拓宽燃烧范围以及降低污染排放。如果燃烧室中液体燃料雾化不够充分，会导致液滴碰壁、火焰后移以及出口温度分布不均等问题，不仅影响发动机的性能，而且对发动机工作的可靠性，尤其是热部件的寿命都有重要的影响。

横向气流中射流如何破碎雾化？

高速气流中的横向射流从喷嘴喷出到完全雾化分成三个部分：液柱、液块和液滴。由液柱变成液块（或大液滴）称为一次雾化，液块（或大液滴）进一步破碎成更加细小的液滴称为二次雾化。液体射流由喷嘴进入高速气流后的破碎雾化过程下图所示。

横向气流中射流破碎雾化过程

由于气流速度较快，射流变形破碎的过程实际上是一系列复杂过程的综合结果，牵涉了气相条件、液相条件、喷射条件等众多因素。在气流中，液体的破碎主要是气动力、液体粘性力、表面张力之间相互作用的结果：气动力促进扰动增长，液体粘性力对表面上扰动的增长起阻尼作用，而表面张力趋向于将液体聚集在一起。

Level-set界面追踪法：捕捉精细的射流破碎及雾化过程

目前，捕捉雾化发展过程主要采用界面捕捉方法：Volume of Fluid（VOF）方法、Level-set方法以及它们的衍生形式。

• VOF方法引入了网格容积分数的概念，需要在计算完进行界面重构；
• Level-set方法又称为水平集法，这种方法是将运动界面定义为一个函数的零等值线（面），然后直接求解界面运动方程，无需进行界面重构。

相较于VOF方法，Level-set方法容易追踪界面，容易处理界面的断裂与合并，可以直接拓展到三维，并且曲率和法向矢量等易于计算。另外，距离函数本身是连续函数，对于连续函数的求解已经较为成熟，通过采用连续的距离函数对自由界面法向的求解精度高。但Level-set方法需重新初始化LS函数，导致质量不守恒。

多相流分析软件TransAT从算法上对Level-Set方法进行优化，通过mass re-initialization功能修正质量不守恒。

仿真计算结果

采用TransAT软件对横向射流进行数值模拟，获得横向射流破碎雾化的发展历程。

横向射流破碎雾化的发展过程

为研究横向射流破碎雾化过程的内在机制，选取不同时刻中截面（y=1.25mm）的压力分布变化情况进行分析。以下为不同时刻（t=0.06ms 、t=0.10ms、t=0.19ms、t=0.28ms）的相界面和中截面压力分布：

t=0.06mst=0.10mst=0.19mst=0.28ms

可以看到，随着时间的推移，射流穿透深度不断增加，最终达到一个稳定值；在射流表面大尺度轴向波不断的积累导致射流核心区的液柱变成液块，这可能是Kelvin-Helmholtz不稳定性或Rayleigh-Taylor不稳定性导致的结果。

在射流迎风面出现高压区域，在射流背风面出现低压区域，从下图中可以更好地观察到由于压力变化引起的气液相界面的变形，白色实线为气液两相界面。

t=0.10ms 时不同高度截面上压力分布

相比于远离喷嘴的z=1.5mm的气液相界面，靠近喷嘴的z=0.5mm气液相界面的变形几乎可以忽略。由射流一次雾化形成的各种液块会通过横向流动的空气动力作用进一步分解成更小的液滴。

在目前的模拟中，由于网格分辨率限制，许多随后的液块在分解成更小的液滴之前就消失了，如下图所示。提高网格分辨率得到更精细的雾化结构，可以观察到这些液块的二次雾化。

横向射流局部图

多伦多大学采用TransAT软件将网格加密至1.6亿计算分析横向射流破碎及雾化发展过程（详细内容可参阅：N.Ashgriz & M.Behzad. Fragmentation of Transverse Liquid Jets, ILASS-Asia 2014.），模拟结果呈现了更精细的雾化结构和更多射流外围的小尺度扰动，可以清晰地看到液滴从射流主体破碎分离及雾化的过程。

网格加密后射流的相界面和中截面压力云图（红色表示高压，蓝色表示低压）射流破碎产生的液体碎片（网格1.6亿）

采用TransAT软件自带的Level-Set界面追踪模型可以有效捕捉到精细的射流破碎和雾化结构及发展过程，有助于优化横向射流在气流中的雾化效果，对其工程应用具有指导作用。