高浓度液滴群在射流场中碰撞凝并的动力学特性研究

Jet spray technology as a surface engineering technology can significantly improve the overall performance of the material. The secondary atomization of local high concentration droplets, driven by jet nozzle pressure, caused by collision and coagulation, will directly affect the size and spatial distribution of the droplet before impacting to the substrate, and thus determine the indicators of the quality of the jet spray. The project is planned to simulate the space-time evolution process of the high concentration of droplets collision, caused by turbulent motion and Brownian motion, and coagulation in plane and three-dimensional jet flow. The work is also going to analyze the development law of the droplet group dynamics behavior effected by the of liquid droplet initial distribution, size, volume concentration, and the large-scale dissipation vortex, the small-scale energy vortex in the jet flow. Third, it is going to find the mechanism of drops group finally scale, concentration distribution effect by the different working conditions. Last, It will provide theoretical support to improve the jet spray technology process and upgrade spraying equipment.

射流喷涂技术作为一个表面工程技术，能显著提高材料综合性能。在射流喷嘴压力驱动下的局部高浓度液滴由于互相碰撞、凝并等造成的二次雾化，将直接影响液滴撞击基板前的尺寸大小和空间分布，进而决定射流喷涂的质量指标。本项目的总体构想是通过模拟平面及三维射流场中，高浓度液滴群在喷嘴出口压力驱动下由湍流运动和布朗运动所导致的碰撞、凝并等动力学事件的时空演变过程，分析液滴颗粒不同初始分布、尺度、浓度和流场中小尺度耗散涡、大尺度含能涡等共同影响下的液滴群动力学行为的发展规律，揭示在工程实际中不同工况条件对液滴群最终尺度、浓度等分布的影响机理，为改进射流喷涂技术工艺和升级改造喷涂设备提供理论支撑。

高浓度液滴群在射流场中碰撞凝并的动力学特性涉及射流喷涂技术、3-D打印技术、射流雾化技术、射流干燥技术以及发动机液体燃料的喷射燃烧等，射流场中由于气体对液滴的作用力超过液体表面张力，就会产生液滴的破碎，产生直径更小的液滴。反之，气流剪切减小的情况下，小液滴之间产生碰撞时会产生凝并现象。然而，在射流场中由于各处流场相差甚大，气流速度范围很广，因此在射流场中液滴既会产生破碎现象，也会产生凝并现象，这是一个十分复杂的动力学过程。.根据项目计划书的研究内容，本课题组主要做了四个方面的工作：.1）高浓度液滴群的湍流碰撞与凝并的数值模型建立；. 为了模拟液滴在射流中的变形、破碎、碰撞、凝并，需要建立相应的数值模型。首先采用LES直接数值模拟计算射流场，而内部液滴的运动根据郎之万方程进行求解，其中气流场对液滴的作用力主要考虑热泳力、布朗力、粘性力和惯性力，其中气流场的湍流脉动产生的随机力跟布朗力进行同样的积分处理。这种模型能捕捉到气流场的湍流脉动对液滴的运动的影响，而LES也能从总体上把握各种参数对整个射流场的影响，从而能够准确预测射流场中的液滴尺寸与分布。.2）射流场内高浓度液滴群的碰撞及凝并的数值模拟；.模拟了不同大小液滴在不同条件下液滴的变形与破碎，总结We数、Re数、Oh数等对液滴的变形与破碎的影响规律，也总结了液滴破碎类型与相应的条件。此外也模拟液滴在不同条件下相互作用与凝并，总结其规律。最后用 GDE方程去描述液滴群在流场中内部变量的动力学演变过程，计算不同时刻液滴大小、分布及演变过程。.3）射流场中微米颗粒间湍流碰撞的PIV实验研究。.搭建了基于PIV图像的射流场中液滴分布规律的实验台，并对含荧光颗粒的液滴的位置、大小、分布和运动等信息进行测量，以定性验证数值模拟的结果，同时也定量验证了射流场计算的准确性。.4）射流场的应用研究.进行了基于射流的粒子发生器的研究，研究不同条件下粒子分布规律；还进行了射流自动纺纱穿线研究，研究纱线在射流场中的运动规律。