对冲圆射流生成径向扩张液膜研究

摘要：

采用两股互相冲击的圆射流可以形成环形的液体薄膜,液膜在径向扩展到一定的临界半径距离会破碎.数值模拟了液膜在周围气体中形成和破碎的非定常过程.考虑了液体和气体都是不可压缩Newton流体的轴对称问题.液体和气体的界面采用Level set函数来跟踪,Navier-Stokes 控制方程和物理边界条件采用有限差分格式离散求解.计算结果给出了环形液体薄膜形成并在其环形边缘处破碎,并缓慢运动的过程.液膜的厚度随着液膜在轴向的扩展会逐渐变薄,因此定义的局部Weber数会在径向逐渐减小,这里的局部Weber数定义为ρu2h/σ,其中ρ和σ分别为液体的密度和界面的张力,u和h分别为在径向某个位置的液膜的平均径向速度和半液膜厚度.数值结果表明就像实验中所观察到的那样,液膜径向扩展的过程的确会在局部Weber数趋向于1的时候终结而停止扩张.根据空间-时间线性稳定性理论,液膜的破碎最初是由正弦模式在临界局部Weber数Wec=1引起的,在临界局部Weber数小于1时会发生绝对不稳定性.在线性理论中另一个独立的模式,所谓的余弦模式,则增长比正弦模式要慢,从而会推测到正弦模式主导破碎的结论.然而,这里的数值结果却表明,余弦模式在界面波的非线性发展阶段实质的超越了正弦模式的增长,并对液膜的最终阶段的破碎起主导作用.这验证了线性理论只能够对触发时扰动波的性质进行预测,而对失稳后情况和结果的预测则不一定正确.

关键词：流动稳定性、Level set方法、界面流动、液体射流

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分类号：O357(流体力学)

资助基金：国家自然科学基金资助项目10702038;10772107;上海市科学技术委员会资助项目09DZ1141502;美国国家自然科学基金资助项目CTS-0138057;上海市重点学科建设项目Y0103

在线出版日期：2010-09-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页码：891-900