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流体界面的稳定性研究一直以来都是流体研究领域的一个重点,很多问题都离不开对界面稳定性的研究,如内燃机中燃油的喷射雾化、打印机喷墨、工业冶金中的喷射成形等等都涉及到射流的界面稳定性问题。本文结合冶金工业中的喷射成形技术,研究其中的关键工序喷射雾化的机理,用流动稳定性理论来研究射流界面的发展,研究影响稳定性的参数,以期指导喷射成形工艺的设计和控制。
本论文以汤晓东和王艳霞等人的工作为基础,运用线性稳定性理论,采用Chebyshev配点法和Floquet理论,研究了含速度脉动的大密度比粘性气液同轴射流的稳定性。本论文的主要工作内容包括以下几部分:
1)建立数学模型和扰动方程的推导。
考虑同轴气液分层射流,内部为柱状粘性金属液体射流,外围环绕无穷域的同轴粘性气体射流,气流含有速度脉动。流动满足轴对称不可压缩Navier-Stokes方程。基于线性稳定性理论,在基本流是轴对称流动的假设下,利用正则模态方法,推导出了以流函数为变量的轴对称小扰动方程。
2)含周期脉动的轴对称射流基本流的求解。
尽管我们可以采用Bessel函数得到含速度脉动的周期基本流的解析解,但在实际计算中,当Bessel函数的宗量很大或很小的时候,按解析公式计算出的基本流的准确性无法保证,造成大密度比情况下的稳定性分析计算十分困难。本文采用了Chebyshev多项式方法得到了非定常基本流的数值解,克服了以上困难。为了提高计算的效率和精度,运用了非线性坐标变换将物理空间转换到计算空间。
3)计算结果分析。
本文研究了不同物理参数对射流稳定性的影响。结果表明速度脉动幅值能够较大程度影响射流的稳定性,较大的速度脉动幅值能够使射流更加不稳定;流体粘性能抑制由振动引起的不稳定性,随着流体粘性的增大,由振动引起的不稳定区逐渐缩小甚至消失;流体的表面张力对由周期脉动引起的、对应波数较大的不稳定区没有实质上的影响,但是对剪切引起的不稳定区影响较大;速度脉动频率不仅影响由振动引起的不稳定区,也影响由剪切引起的不稳定区;气液剪切作用的增强,能够使由表面张力引起的不稳定区减小,使由剪切引起的不稳定区迅速增大。
4)计算结果和实验数据比较。
本文计算了Rai等人用氩气雾化液铝实验中的工况,并将计算结果和实验数据进行了比较。假设由振动引起的最不稳定波的波长与平均颗粒粒径成正比(本文假设比例为0.5),和Rai等人得到的实验数据进行比较,结果表明本文用稳定性分析得到的结果在雾化粒径的量级上、雾化粒径的变化趋势上都和实验较好的吻合。