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雾化射流场中粒子运动和传热特性的研究

作　者: 钱丽娟
导　师: 林建忠
学　校: 浙江大学
专　业: 流体力学
关键词: 雾化数值模拟气液两相流传热传质液滴碰撞拟合公式
分类号: O358
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

雾化射流是高性能材料制备领域的关键技术,雾化的液态介质往往不是传统的单相低粘度流体,而涉及到高粘度流体、悬浮液、非牛顿流体等复杂流体；且雾化环境不局限于常温常压,而涉及电磁、高温、真空等。本文通过构建泡状雾化喷嘴雾化冲击射流和射频感应悬浮溶液等离子射流的数值模型,分析了常规及特殊环境下高粘度流体,悬浮液在雾化射流场中所经历的各种运动及传热传质。本文主要研究内容分如下几个方面：(1)对气泡雾化喷嘴雾化射流过程建立三维的数值模型,考虑气液两相双向耦合,其中连续相基于N-S方程和湍流模型求解,离散项基于粒子追踪法求解,考虑液体的一次雾化,二次雾化,碰撞合并等现象。计算所得结果和大量实验数据进行比对符合较好,在此基础上对雾化液滴平均粒径沿轴向的变化趋势、液滴粒径及数目在截面上的分布状况以及液滴速度等的变化趋势进行了计算分析,揭示了其内在的影响因素,并讨论了工况参数和液体物性对雾化效果的影响,总结了获得理想雾化效果的有利因素。(2)通过数值计算,研究了雾化冲击射流,分析了有利于喷涂均匀性和细腻性的基板所处位置,并通过对雾化和喷涂两个过程进行整体考虑,界定了雾化冲击射流液滴沉积附着于基板所需工况条件的范围,提供了通过控制雾化的工况条件来得到理想喷涂效果的有效途径。(3)将影响雾化效果的各种工况和液体物性条件加以量化,采用线性拟合的方法,推导了预测雾化液滴Sauter平均粒径的经验公式。并分析速度剖面的一维模型,得出射流下游区域液滴平均速度的解析表达式。结合经验证后的平均粒径和平均速度的预测公式,建立了K数和We数的表达式,用于判断雾化液滴撞击基板后的总体碰撞效果。(4)运用RF流场模型和粒子的运动及传热模型来模拟射频感应悬浮溶液等离子射流(RF-SPS)的过程,首先对载有固定电导率的电磁场进行了校正和验证,然后给出等离子情况下的电磁场和流场信息,进而分析单个悬浮液滴入射情况下其温度、速度、轨迹、粒径的变化过程,研究了各种工况和初始参数对粒子的影响程度,总结了其中的关键参量。最后考察了多液滴温度、速度、粒径的演化趋势,讨论了是否考虑液滴碰撞模型所导致的差异。本文首次针对泡状雾化喷嘴雾化射流,建立了完整的数值计算模型,改进了已有的一次雾化模型,使之适用于短波破碎,并结合考虑一次雾化模型和二次雾化模型。在此基础上,提出了液雾平均粒径SMD沿轴向变化的预测公式,以及K数、We数与工况参数间的关系式,给出了优化喷涂效果的方案。此外,本文首次建立了针对射频感应悬浮溶液等离子射流(RF-SPS)的数值模型,模拟了悬浮液滴在高温环境下的动力学及热力学事件,填补了该领域的空白。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
第1章绪论  13-34
  1.1 研究意义及背景  13-14
  1.2 雾化机理  14-23
    1.2.1 一次雾化  16-19
    1.2.2 二次雾化及数学建模  19-20
    1.2.3 液滴粒径分布  20-22
    1.2.4 国内对于雾化现象的研究  22-23
  1.3 粒子的受力模型  23-24
  1.4 液滴的碰撞模型  24-26
  1.5 粒子在高温状态下的传热传质模型  26-27
  1.6 泡状雾化喷嘴的研究现状  27-29
  1.7 射频感应悬浮溶液等离子射流的研究现状  29-31
  1.8 本文的主要内容及创新点  31-34
第2章数值模型  34-52
  2.1 颗粒轨道法  34-35
  2.2 流场模型  35-38
    2.2.1 湍动雾化射流场  35-36
    2.2.2 射频感应等离子射流场  36-38
  2.3 粒子模型  38-49
    2.3.1 气泡雾化喷嘴的一次雾化模型  39-41
    2.3.2 粒子的受力模型  41-43
    2.3.3 液滴的二次雾化模型  43-45
    2.3.4 液滴的碰撞模型  45-46
    2.3.5 粒子的加热,熔化,蒸发模型  46-49
  2.4 计算流程  49-50
  2.5 本章小结  50-52
第3章湍动雾化射流雾化特性的参变量研究  52-71
  3.1 基本描述  52-53
  3.2 计算框架  53-54
  3.3 流场的数值模拟结果及验证  54
  3.4 雾化模型的验证及雾化效果的参变量研究  54-70
    3.4.1 一次雾化模型  55-59
    3.4.2 平均粒径沿轴向的变化趋势  59-64
    3.4.3 粒径的分布状况  64-68
    3.4.4 气液相对速度及液滴速度  68-70
  3.5 本章小结  70-71
第4章冲击射流场中雾化液滴粒径的分布特性及其均匀性分析  71-85
  4.1 基本描述  71-72
  4.2 计算框架  72-73
  4.3 冲击射流流场的验证  73-74
  4.4 基板对雾化效果的影响  74-79
  4.5 冲击射流中ALR对粒径分布的影响  79-80
  4.6 工况参数对液滴撞击基板结果的影响  80-83
  4.7 本章小结  83-85
第5章预测雾化液滴平均粒径及碰撞效果的拟合公式  85-102
  5.1 雾化颗粒平均粒径的拟合公式及其验证  85-97
    5.1.1 公式推导  86-92
    5.1.2 SMD预测公式的验证  92-97
  5.2 液滴速度的表达式及验证  97-99
  5.3 K数和We数的最终表达式  99-100
  5.4 本章小结  100-102
第6章射频感应悬浮溶液等离子射流  102-120
  6.1 基本描述  102-105
  6.2 计算框架  105-106
  6.3 电磁场和等离子流场的数值模拟及验证  106-111
  6.4 单个粒子特性及工况参数的影响  111-115
    6.4.1 粒径,速度,温度,轨迹的变化趋势  111-114
    6.4.2 工况条件和初始参数的影响  114-115
  6.5 多个粒子的分布特性  115-119
  6.6 本章小结  119-120
第7章总结和展望  120-123
  7.1 全文总结  120-122
  7.2 工作展望  122-123
参考文献  123-136
常用符号说明  136-138
攻读博士期间发表的论文  138-139
致谢  139

雾化射流场中粒子运动和传热特性的研究

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