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液滴撞击自由液面过程的数值模拟研究

陈青山 王明军 田野 郭凯伦 田文喜 秋穗正 苏光辉

陈青山, 王明军, 田野, 郭凯伦, 田文喜, 秋穗正, 苏光辉. 液滴撞击自由液面过程的数值模拟研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 76-84. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080001
引用本文: 陈青山, 王明军, 田野, 郭凯伦, 田文喜, 秋穗正, 苏光辉. 液滴撞击自由液面过程的数值模拟研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 76-84. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080001
Chen Qingshan, Wang Mingjun, Tian Ye, Guo Kailun, Tian Wenxi, Qiu Suizheng, Su Guanghui. Numerical Simulation Study of Droplet Impact Process on Free Liquid Surface[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 76-84. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080001
Citation: Chen Qingshan, Wang Mingjun, Tian Ye, Guo Kailun, Tian Wenxi, Qiu Suizheng, Su Guanghui. Numerical Simulation Study of Droplet Impact Process on Free Liquid Surface[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 76-84. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080001

液滴撞击自由液面过程的数值模拟研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080001
基金项目: 中核集团领创科研项目
详细信息
    作者简介:

    陈青山(1998—),男,博士研究生,现主要从事核反应堆热工水力方面的研究,E-mail: 1828698717@qq.com

    通讯作者:

    王明军,E-mail: wangmingjun@mail.xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TL334

Numerical Simulation Study of Droplet Impact Process on Free Liquid Surface

  • 摘要: 稳压器的雾化和喷淋对核动力设备的安全运行有着十分重要的作用。研究喷淋液滴撞击稳压器自由液面的过程可以从单个液滴撞击液面入手,揭示其基本规律和现象,从而为稳压器喷淋中液滴连续撞击液面的研究提供理论基础。对基于Fluent的DPM-to-VOF(DTV)方法进行了数值模拟和分析。通过流体体积分数方法(VOF)验证了DTV方法的准确性,系统研究了不同直径和不同初速度液滴对液坑和液柱主要尺寸的影响规律,并详细揭示了液面波动的演变过程,对液膜波动细节进行了精确捕捉。研究表明,增大液滴直径或增加液滴速度会加剧液面的干扰,导致液坑尺寸增大、液柱高度增加,可能产生一次液滴和二次液滴;同时,对不同工况下的流动分布情况进行了综合分析,发现在大韦伯数(We) 和小弗劳德数(Fr)区域,液面干扰较为显著,定量分析了HK/d0LK/d0HZ/d0WeFr的变化规律,为理解和优化稳压器喷淋过程提供了重要的理论基础。

     

  • 图  1  DTV方法转换过程示意图

    Figure  1.  Schematic Diagram of DTV Transition Process

    图  2  DTV方法模拟撞击过程液滴演变过程

    Figure  2.  Evolution Process of Droplets during Simulated Impacts by the DTV Method

    图  3  DTV方法和VOF方法模拟结果比较

    X—验证模型纵截面的横坐标;H—液膜位置,其中H=0为液面的初始位置。

    Figure  3.  Comparison of DTV and VOF Simulation Results

    图  4  液滴坍塌开始时DTV方法和VOF方法的差异

    Figure  4.  Difference between the DTV and VOF at the Onset of Droplet Collapse

    图  5  计算域几何模型

    Figure  5.  Geometric Model of the Computational Domain

    图  6  液坑示意图

    Figure  6.  Schematic Diagram of Liquid Pit

    图  7  液柱示意图

    Figure  7.  Schematic Diagram of Liquid Column

    图  8  不同直径液滴撞击液膜演变的图像

    Figure  8.  Evolution Images of Droplets of Different Diameters Impacting the Liquid Film

    图  9  撞击过程液面速度变化图像

    Figure  9.  Variation Images of Liquid Surface Velocity during Impact

    图  10  不同速度液滴撞击液膜演变的图像

    Figure  10.  Evolution Images of Droplets of Different Velocities Impacting the Liquid Film

    图  11  液滴撞击的流动分类图像

    图中方块颜色代表液面流动形态;方块中数字黑色代表We、蓝色代表Fr

    Figure  11.  Flow Classification Images of Droplet Impacts

    图  12  监测点纵坐标h随时间的变化曲线

    Figure  12.  Variation Curve of the Vertical Coordinates at the Monitoring Points with Time

    图  13  液坑、液柱尺寸随$ We $和$ Fr $的变化规律

    Figure  13.  Varioation Patterns of Liquid Pit and Column Size with $ We $ and $ Fr $

  • [1] 马慧敏,刘长根,董娇娇. 液滴冲击液面变形特征及其能量转化研究[J]. 水动力学研究与进展,2019, 34(3): 283-290.
    [2] 郭通,袁德奎,赵丰泽. 液滴撞击液面形成的液坑形态特征及其重力势能分析[J]. 实验流体力学,2021, 35(6): 17-27.
    [3] LENG L J. Splash formation by spherical drops[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2001, 427: 73-105. doi: 10.1017/S0022112000002500
    [4] GUO Y L, WEI L, LIANG G T, et al. Simulation of droplet impact on liquid film with CLSVOF[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2014, 53: 26-33. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2014.02.006
    [5] 裴传康. 微小水滴撞击深水液池空腔运动及气泡夹带机理的数值模拟研究[D]. 西安: 西安理工大学,2019.
    [6] LAN Z K, ZHU D H, TIAN W X, et al. Numerical approaches and analysis of spray characteristics for pressuriser nozzles[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2014, 92(5): 953-963. doi: 10.1002/cjce.21911
    [7] CHEN Q S, ZHANG Q R, WANG Q L, et al. Numerical study and experimental validation: a portioned calculation method for a large atomization field[J]. Physics of Fluids, 2024, 36(7): 073341. doi: 10.1063/5.0215215
    [8] LIU J, KE P. Modelling and analysis of initial icing roughness with fixed-grid enthalpy method based on DPM-VOF algorithm[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2022, 35(7): 168-178. doi: 10.1016/j.cja.2021.07.028
    [9] 刘涵元. DPM与VOF耦合方法在固体火箭发动机沉积研究中的应用[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学,2018.
    [10] ADENIYI A A, MORVAN H P, SIMMONS K A. A coupled Euler-Lagrange CFD modelling of droplets-to-film[J]. The Aeronautical Journal, 2017, 121(1246): 1897-1918. doi: 10.1017/aer.2017.107
    [11] LI L M, LIU Z Q, CAO M X, et al. Large eddy simulation of bubbly flow and slag layer behavior in ladle with discrete phase model (DPM)–volume of fluid (VOF) coupled model[J]. JOM, 2015, 67(7): 1459-1467. doi: 10.1007/s11837-015-1465-x
    [12] 邓丰,何劲松,黄燕,等. 稳压器雾化液滴动力和传热特性数值分析[J]. 核动力工程,2013, 34(S1): 136-140.
    [13] 赵烁,张杰,倪明玖. Marangoni流动对液滴撞击过热液池影响的数值模拟[J]. 中国科学院大学学报(中英文),2024, 41(3): 289-297.
    [14] 范绪君. 水滴撞击油池动力学特性研究[D]. 合肥: 合肥工业大学,2019.
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-28
  • 修回日期:  2024-09-02
  • 刊出日期:  2025-08-15

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