动态惯性力作用下表面张力波诱导液滴雾化机理的研究

Secondary atomization of a fuel drop plays an essential role in the diffusion combustion process. The drop atomization induced by the capillary wave under time-dependent inertial forces is one important way to realize secondary atomization of a fuel drop. However, the underline mechanism of such atomization process still lacks sufficient explanation. In this project, we intend to investigate the drop atomization induced by the capillary wave under time-dependent inertial forces with the advanced optical testing technology and accurate multiphase numerical schemes. A drop atomization system with adjustable frequency and amplitude of the inertial force will be built. Then, the experimental data of the surface deformation and atomization characteristics will be obtained by using the high speed camera, Mie scattering and PTV technology. The effects of the drop surface curvature, frequency and amplitude of the inertial force and the fluid properties on the atomization characteristics will be investigated. The threshold for the drop atomization will be explored. Finally, the detailed information on the velocity and pressure fields obtained by the CLSVOF numerical technology will be utilized to analyze the competition between the inertial force, surface tension force and viscous force. The fundamental mechanism of the drop atomization induced by the capillary wave under time-dependent inertial forces will be revealed by this project, which will further enrich the secondary atomization theory and provide the theoretical foundation to build an accurate model for secondary atomization.

燃油液滴的二次雾化对直喷式内燃机缸内的扩散燃烧过程起着十分关键的作用。动态惯性力作用下表面张力波诱导液滴的破碎是实现燃油液滴二次雾化的重要原因之一，但目前国内外研究仍然缺乏对这一过程物理机理的定量阐释。本项目拟通过现代光学测试手段，结合高精度气液两相流模拟技术，对动态惯性力作用下表面张力波诱导的液滴雾化机理进行研究。具体内容包括：建立动态惯性力频率和幅值均独立可控的实验系统，利用高速摄影、Mie散射和PTV等手段获取液滴表面变形以及雾化特性参数等实验数据，研究液滴表面曲率、动态惯性力控制参数以及流体物性参数对液滴雾化特性的影响规律，探索液滴雾化的阈值条件；利用CLSVOF方法建立高精度气液两相流计算模型，获取液滴内部速度场、压力场等详细的流场信息，分析惯性力、表面张力和粘性力等微观力博弈下液滴表面变形和破碎的微观机理，为进一步完善液滴二次雾化理论，建立高精度液滴二次雾化模型奠定理论基础。

直喷式内燃机缸内流场的湍流效应很强，气流运动的强瞬变性和强脉动性使得缸内燃油液滴所受到的惯性力同样是动态的，因此对这种动态惯性力作用下表面张力波诱导液滴雾化过程的深入理解是揭示直喷式内燃机中液滴二次雾化机理、建立高精度二次雾化模型的必要理论基础。. 本课题基于相关的实验设备、计算条件和前期研究工作的积累，提出对直喷式内燃机二次雾化的基础科学问题进行研究。通过三年的研究，建立了惯性力频率、幅值可控的液滴雾化实验系统，并结合光学测试、数值模拟与理论分析等手段，系统地研究了Faraday不稳定性作用下液滴的雾化过程，获得了在Faraday不稳定性作用下液滴发生破碎的阈值条件。. 在实验研究方面，建立了惯性力频率和幅值可调的单液滴雾化实验系统；利用高速摄影、PTV等技术，记录了Faraday不稳定性作用下液滴表面张力波随时间演变的过程，获取了初始液滴体积、动态惯性力调整参数以及流体的物性参数下液滴雾化的速率、雾化子液滴的尺寸等特性参数随时间演变的实验数据。在数值模拟方面，提出了一种高精度的气-液两相界面捕捉方法；建立了Faraday不稳定性作用下表面张力波诱导液滴雾化的三维真实流体计算模型和计算程序并利用实验结果反复地修正和完善最终建立了准确的计算模型。在理论分析方面，根据理论分析得到了Faraday不稳定性主导表面张力波波长的表达式；根据模拟计算得到的压力场和速度场等流场信息，阐明了Faraday不稳定性作用下单模态液线生成的微观机理以及多模态表面张力波之间相互作用的机制；结合实验结果，探讨了惯性力、表面张力、粘性力之间的博弈关系，基于无量纲分析法研究了雷诺数Re、韦伯数We、邦德数Bo等无量纲参数对Faraday不稳定性作用下表面张力波诱导液滴雾化过程的影响规律，并从微观角度阐明了阈值条件的物理含义。. 本项目的研究成果将进一步完善液滴二次雾化理论，为建立高精度液滴二次雾化模型奠定理论基础。