精准动力学表述的高压环境液滴碰撞模型研究

Dynamic of droplet collision is a basic fluid dynamic, which can be used for a better understanding of spray combustion in various engines. It has been recognized that ambient pressure has a significant influence on the droplet collision dynamic. However, the pressure effect has been barely concerned in the previous droplet collision model. Consequently, it is necessary an accurate pressure-dependent droplet collision model for spray combustion simulation. In this proposal, we aim to improve the accuracy of the droplet collision model. Macro and micro droplet collision dynamic characteristic will be investigated numerically and experimentally so as to obtain the impact mechanism of ambient pressure on droplet collision dynamic characteristic and subsequent viscous dissipation. On this basis, an accurate pressure-dependent droplet collision model was proposed for spray combustion simulation.

液滴碰撞作为一种基本的流体动力学过程，对理解发动机中的喷雾燃烧特性有着重要的意义。实验表明，燃烧室内较高的环境压力对液滴碰撞动力学特性有着直接的影响。但是长期以来，喷雾数值模拟中的液滴碰撞子模型对于环境压力的影响体现并不充分。因此，有必要发展精准动力学表述的高压液滴碰撞模型用于喷雾燃烧数值模拟。本项目从改善现有液滴碰撞模型精度的角度出发，利用实验结合数值模拟的方法研究液滴在高压下的宏观和微观动力学特性，获得环境压力对液滴碰撞的影响机理；通过数值模拟研究液滴碰撞的微观动力学特性，获得液滴碰撞的粘性耗散机理和压力影响机制。最终发展用于喷雾模拟的高精度液滴碰撞动力学模型。

液滴碰撞作为一种基本的流体动力学过程，对理解发动机中的喷雾燃烧特性有着重要的意义。不同于普通的液滴碰撞行为，发动机燃烧室内的高压环境将对液滴碰撞结果产生非常重要的影响。因此本课题从高压下液滴碰撞试验入手，通过对试验得到的液滴碰撞过程进行量化处理，深入研究了液滴碰撞过程中的宏观和微观动力学特性，为液滴碰撞模型的修正以及液滴碰撞后粘性耗散机理的研究提供了基础。.针对内燃机燃烧室中可能出现的高压环境完成了高压下液滴碰撞试验系统的搭建，通过高速摄像与图像处理相结合的手段得到了液滴碰撞的We-B诺谟图，进一步证实了高压下液滴碰撞后更容易弹开的趋势，获得了宽广参数范围条件下不同液滴碰撞结果的边界条件和用于喷雾模拟液滴碰撞子模型的碰撞结果的判据。.将稀薄气体效应和范德华力作用机理嵌入液滴碰撞动力学程序中，获得了环境压力对碰撞液滴内部流动及液滴变形过程的影响规律，揭示了粘性的双重作用机理，阐明了液滴碰撞过程中能量耗散机理以及环境压力的影响机制，获得了环境压力表征的动能损失系数。.基于燃烧室中喷雾碰撞过程可能出现的液滴聚集以及液滴数密度较大的现象，针对性的开发出了更适用于高压下喷雾碰撞的自适应碰撞域液滴碰撞算法，并将该算法与基于试验结果进行修正的压力影响因子相耦合，对原有液滴碰撞模型中的局限性进行了相应的改进，得到了具有网格依赖性低、计算效率高的液滴碰撞模型，且与之前的实验对比中该模型表现出来了更高的精度。.相关研究成果对于发展内燃机、航空发动机以及火箭发动机等动力装置燃烧组织和控制技术，提升发动机性能具有重要的指导意义。