高速射流近中間區(qū)段流動特性大渦模擬

閆龍龍

摘要：采用數(shù)值計算方法對高速自由圓湍射流的近中間區(qū)段流動特性進行了研究。結(jié)果表明：相較雷諾平均的湍流模型，利用大渦模擬可以準(zhǔn)確捕捉射流結(jié)構(gòu)形態(tài)及相應(yīng)流場特征;不同強度渦在同種流動中可以表征相應(yīng)的不同湍流信息;射流頭部區(qū)形成的渦環(huán)隨時間的發(fā)展變化規(guī)律對不同雷諾數(shù)有不同的響應(yīng)：對于低雷諾數(shù)（Re三8000）在發(fā)展過程中這些渦環(huán)基本穩(wěn)定，而對高雷諾數(shù)（Re≥10000）會逐漸破碎成三維結(jié)構(gòu)，并在氣液交界面處出現(xiàn)典型的壁面邊界層湍流結(jié)構(gòu)特征。

關(guān)鍵詞：射流;擬序結(jié)構(gòu);大渦模擬;渦旋

中圖分類號：TQ051

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0231-03

1 引言

自由圓湍射流在工程中應(yīng)用非常廣泛，通常根據(jù)其用途主要可分為兩類：一類要求其具有較高的能級密度、較好的集束性，用于清洗、切割等;另一類則要求其充分霧化，用于航空推動系統(tǒng)、汽車引擎等。作為湍流中一個經(jīng)典的問題，對高壓射流的流動特性研究是該領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的難題。在20世紀(jì)60年代在剪切層中發(fā)現(xiàn)大尺度的相干結(jié)構(gòu)[1，2]，這是湍流研究的一次重大突破，同時也為湍流機理的探索開辟了一個新途徑。J.Shinjo[3]對高速液體射人靜止空氣后的初級霧化過程進行直接數(shù)值模擬（DNS），成功地捕捉到了液滴和液帶的形成。F.Xiao[4]采用了一種強健的兩相流的大渦模擬（ LES）算法對軸對稱水射流注入到同軸氣流場中的初級破碎過程進行模擬。鑒于噴嘴對射流影響的復(fù)雜性，作為初步研究，不考慮噴嘴邊界層及擾動的影響，重點關(guān)注射流頭部（jet tip）的作用。另外，射流的近中間區(qū)段（near to intermediate field，NIF，O≤x/D≤30，D為噴嘴出口直徑）通常對射流的實際應(yīng)用有決定性作用。本研究以無擾速度人口為進口邊界條件，不考慮噴嘴的影響，利用大渦模擬（LES）對射流近中間區(qū)段流場進行計算，從而獲得射流的流場信息。

2 數(shù)值方法

2.1 LES湍流模型

本研究數(shù)值計算基于既有代碼fluent作為計算主體平臺。采用VOF模型對液一氣界面結(jié)構(gòu)進行瞬時跟蹤。鑒于湍流中不同尺度渦在流動傳輸?shù)淖饔?，湍流模型選用大渦模擬（ LES）。

2.2 邊界條件及網(wǎng)格畫分

在模擬實驗中，邊界條件包括速度進口、壓力出口。射流噴嘴出口直徑D=O.lmm，速度分布設(shè)為平型（flat）及固定（fixed），以此作為計算的入口邊界;出口設(shè)為壓力出口，表壓為0（圖1（a））;初始時刻周圍環(huán)境氣體為靜止，其他流動條件設(shè)置見表1。

網(wǎng)格：沿徑向?qū)⒕W(wǎng)格劃分三個區(qū)域1、2、3（如圖1（b》。在1區(qū)域（噴嘴出口截面，D= O.lmm）采用蝶形網(wǎng)格;為了準(zhǔn)確捕捉液體射流界面及附件的流場特征，在1區(qū)與2區(qū)域交界處進行網(wǎng)格加密，在2區(qū)域用密網(wǎng)格;在3區(qū)域使用漸擴型網(wǎng)格用以減少網(wǎng)格數(shù)目。網(wǎng)格總節(jié)點數(shù)（total nodes）：1123200。

3 結(jié)果和分析

3.1 與RANS模型對比

由于大渦模擬對流動條件要求高，計算耗時，在工程上常采用雷諾平均（RANS）模型，而對于流場分析顯然用RANS（k-ε）模型遠無法滿足要求，這里我們采用兩種湍流模型對最簡單的流動模型分別對進行模擬實驗，并分析其差異特性。

如圖2（a）、（b）分別為用大渦模擬和雷諾平均（k-ε模型）法對case 4（Re=10000）的模擬結(jié)果（t*=22）。其中，沿氣液交界面處的黑色粗實線代表液相體積分?jǐn)?shù)（vof）為0.2的等值面。對比兩種模型的計算結(jié)果可以看出，由于在流場的近中間區(qū)段，韋伯?dāng)?shù)Weber= 1.4e⁵》1（流體慣性力遠大于表面張力），液體表面型基本無變化，僅在射流頭部由于Rayleigh- Taylor不穩(wěn)定發(fā)生卷起（roll- up）。

圖3為圖2（a）中垂直黑實線Vl（z=l mm）和V2（z=2 mm）上的軸向速度（z velocity）及其均方根（RMS）值的徑向分布。對于上游區(qū)Vl（圖3（a））可以看出應(yīng)用大渦模擬及RANS的計算結(jié)果差異并不大，而且關(guān)于射流軸線其軸向速度與其RMS基本呈現(xiàn)軸對稱分布，表明這里射流本身及其對周圍氣體的流場影響基本穩(wěn)定，流場脈動特征不明顯，運用兩種湍流模型所得計算結(jié)果差異不大;而在射流頭部區(qū)域附近（V2），兩種湍流模型的模擬結(jié)果相差顯著：在射流核心區(qū)（一0.0005～0.0005 mm）兩者基本吻合，而在氣液交界面附近，由LES計算的軸向速度明顯高于RANS的計算結(jié)果，且在0.0001 mm附近出現(xiàn)軸向速度峰值，超過初始入口速度峰值（100 m/s），這也證實上述推論中射流頭部區(qū)附近產(chǎn)生大尺度渦旋并對周圍流場形成強烈干擾;而由于RANS模型對所有尺度的流體渦采用雷諾平均，其計算結(jié)果將這里的特征信息一律“抹平”，無法捕捉這里這里的脈動流場特征，故而在高受擾區(qū)運用大渦模擬與RANS模型差別較大，對計算結(jié)果影響顯著。

3.2 圓射流大尺度結(jié)構(gòu)時空演化

渦旋是失穩(wěn)、轉(zhuǎn)捩及湍流的基本表現(xiàn)形式。通常以總渦量等值面來表述旋渦強弱，而Tadashi Matsuda[5]等認(rèn)為用渦旋強度（swirling strengthXi）對渦旋進行可視化比用渦量更合適，因為λi只表示旋轉(zhuǎn)流體的運動，而不包括流體的剪切變形[6]。采用λi可成功定義旋轉(zhuǎn)流動，用來表示圓射流渦更可信。

從圖4中可以看到，液體射流從噴嘴射出后，像一條硬棒似的不斷發(fā)展（表面基本未出現(xiàn)明顯變形、破碎等）。這是由于在無擾人口邊界條件下，由射流頭部區(qū)產(chǎn)生的擾動向上游傳播過程中不足以使其完全失穩(wěn)。

當(dāng)射流開始從噴嘴出口射出時，射流頭部與射流核心表面通過氣液相互作用，射流形成軸對稱的卷起頭部，并由于K-H不穩(wěn)定在其后也產(chǎn)生軸對稱的渦環(huán)。這些渦環(huán)隨時間的發(fā)展變化對不同雷諾數(shù)有不同的響應(yīng)：對于casel（Re= 3000）、case2（Re= 5000）、case3（ Re=8000）在發(fā)展過程中這些渦環(huán)基本穩(wěn)定，而對于高雷諾數(shù)的case4 （10000）則迥然不同。在t*=4～12頭部形成的渦環(huán)團逐漸破碎成幾個獨立的渦環(huán)，之后t*=16～28，隨著時間發(fā)展，渦環(huán)誘發(fā)的徑向與流向渦逐漸使之破碎變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)的渦，這一點與Schneider對渦環(huán)穩(wěn)定性研究類似。這樣，大尺度渦破碎變?yōu)樾〕叨葴u，即湍流結(jié)構(gòu)在空間和時間上的尺度均減小，整個過程能量亦從大尺度結(jié)構(gòu)向小尺度結(jié)構(gòu)傳遞，最終被流體粘性力耗散。另外，我們還可以看出在最靠近噴嘴出口附近處，高速的射流與周圍流體作用形成層流剪切層，剪切層不穩(wěn)定并快速增長亦形成渦環(huán)，這些渦環(huán)結(jié)構(gòu)在發(fā)展過程基本穩(wěn)定。

綜上所述，在低雷諾數(shù)Re下，射流的剪切層主要受由于基本的非粘性不穩(wěn)定性產(chǎn)生的渦環(huán)及螺旋渦結(jié)構(gòu)影響;而對高雷諾數(shù)Re，這些渦結(jié)構(gòu)經(jīng)歷其自身的不穩(wěn)定性發(fā)展導(dǎo)致高度的三維結(jié)構(gòu)，最后形成湍流的特征流場。這些大尺度渦結(jié)構(gòu)對周圍流體與射流本身之間的動量交換起重要作用。

4 結(jié)論

（1）采用LES和RANS（k一ε）湍流模型分別計算Re=10000的圓射流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)LES與RANS在射流流場中上游穩(wěn)定區(qū)的計算結(jié)果差別不大;而在高受擾的射流頭部附近區(qū)域，LES可以計算捕捉到其表面特征結(jié)構(gòu)（蘑菇狀射流頭部）及特征流場信息（脈動速度場），而RANS卻不能獲得這些信息。

（2）射流頭部區(qū)形成的渦環(huán)隨時間的發(fā)展變化規(guī)律對不同雷諾數(shù)有不同的響應(yīng)：對于低雷諾數(shù)（ Re≤8000）在發(fā)展過程中這些渦環(huán)基本穩(wěn)定，而對高雷諾數(shù)（Re≥10000）會逐漸破碎成三維結(jié)構(gòu)，并顯示出明顯的湍流特征。

（3）對于高雷諾數(shù)（Re≥10000），射流氣液交界面處出現(xiàn)典型的壁面邊界層湍流結(jié)構(gòu)特征。

參考文獻：

[l]Brown GLand Roshko A.On density effects and large structure inturbulent mixing layers [J].J F l u i d Mec h，1974 （64）： 775～816.

[2]Crow SC， Champagne F H.Orderly structure in jet turbulence [J].J Fluid Mech， 1971（77）：397—413.

[3]Shinjo J，Umemura A.Simulation of liquid jet primary breakup：Dynamics of ligament and droplet formation [J]. InternationalJournal of Multiphase Flow， 2010， 36（7）：513～532.

[4]Xiao F，Dianat M， McGuirk J J.LES of turbulent liquid jet primary breakup in turbulent coaxial air flow[J]. International Journalof Multiphase Flow，2013（8）.

[5]Matsuda， Tadashi， Sakakibara Jun. On the vortical structure in around jet[J]. Physics of Fluids （1994 - present） ，2005（ 17）.

[6]Chong M S，Perry A E，Cantwell B J.A general classification ofthree- dimensional flow field[Jl. Phys. Fluids A，1990（13）.