计算流体力学--多相流仿真专题

CAE大拿

第九章  应用粒子追踪法之仿真（3）

这一次，还是来讨论粒子追踪法（Particle Tracking Method），将对粒子模拟的案例之一，即当粒子产生蒸发或挥发时，作详细的说明。

上世纪九十年代，随着削减二氧化碳的排放被提到议事日程，对排放而言举足轻重的工业用炉，如何提高其燃烧效率就成了重要的课题。因此，用考虑了蒸发或挥发的粒子追踪法，对喷雾燃烧炉作了大量的流体仿真模拟。

　  在这一讲座里，把会蒸发或挥发的粒子，称之为活性粒子。对于活性粒子的蒸发或挥发，必须分阶段地建立模型。图9.1是水滴蒸发的模型，而图9.2是燃料液滴挥发模型的一个例子。由于产生了蒸发或挥发的成分，在对气相流体进行模拟时，其化学成分的种类必须作为一个变量来处理

图9.1 水滴的蒸发模型

图9.2 燃料液滴挥发模型示例

　  下面，说明一下喷雾条件的设定。喷雾的粒子数目非常庞大，因而必须使用上一章里提到的帕塞尔近似（捆绑近似）。其次，需要确定粒子直径的分布。当然可以用均匀分布来表示，但我们还是建议使用普遍认可的分布函数，诸如1933年发表的罗辛-拉姆勒分布函数(Rosin-Rammler distribution)以及1939年提出的拔山-棚泽（Nukiyama-Tanazawa）分布函数，来表达粒子直径的分布状况。还有，粒子的蒸发或挥发，与其表面积密切相关，对于平均粒径，建议使用考虑了表面积因素的索特平均粒径（Sauter Mean Diameter, 常以d32来表示）。此外，作为喷雾条件还需进一步设定喷雾流量与喷雾速度等等，以及如图9.3所示的喷雾模式和发散角度，也是必须考虑的。

图9.3 喷雾模式及发散角

接下来，还是来看一个模拟实例。 这一次，我们将用粒子追踪法来模拟空气式雾滴喷嘴，它喷洒出水雾用来冷却高温气体。如图9.4所示，是一个装有流入和流出管道的冷却容器，流入的高温气体温度为500℃，进口管道的中央装有空气式雾滴喷嘴（喷雾用的空气温度为27℃）。冷却容器和喷嘴的形状都是回转体，模拟时可以作为轴对称二维问题来处理。从进口管道流入的高温气体的流速为25米/秒，喷雾用的空气流速为40米/秒，壁面的边界条件都设定为静止绝热的固壁。

图9.4 空气式雾滴喷嘴示意图

　   从喷嘴里喷出的雾状水滴的索特平均粒径为20微米（μm），粒径服从拔山-棚泽分布。喷雾流量设为0.05千克/秒（帕塞尔近似的有效个数为100，000秒-1），喷雾速度为15米/秒，喷雾模式分为满圆锥形（分散角设为20°）及中空锥形（分散角设为110～120°）。另外，为了使计算稳定进行，在开始的1秒内，仅流入高温气体和喷雾用空气，1秒后再开始喷洒水雾。图9.5是喷雾0.1秒后，冷却容器里液滴分布的状态。从图中可以看出，由于喷雾空气的吹送，液滴基本保持直行，然而中空锥形模式的喷雾，液滴在前方渐渐扩散开来。

图9.5 喷雾0.1秒后冷却容器内的液滴分布状况

图9.6是当喷雾模式为满圆锥形时，在12秒内的模拟结果。从图中可以清晰地看到，液滴一面蒸发一面对高温气体进行冷却。图9.7是中空锥形喷雾模式时的模拟结果。图9.8表示的是从出口管道流出的高温气体平均气温的变化。两者的差别虽然不大，但采用中空锥形的喷雾模式要比满圆锥形的冷却得略微快一点。

图9.6 喷雾模式为满圆锥形时，12秒内的模拟结果

图9.7 中空锥形喷雾模式时的模拟结果

图9.8 流出管内高温气体的平均温度随时间的变化

在下一章里，将对活性粒子在蒸发或挥发时生成的化学成分作详细的说明。