气溶胶抛撒过程中首次破碎液滴的尺寸分布.pdfVIP

第27卷 第6期 计 算 物 理 Vo1．27．NO．6 2010年 11月 CHINESE J0URNAL OFCOMPUTATIONALPHYSICS NOV．，2010 文章编号 ：1001—246X(2010)06-0847—07 气溶胶抛撤过程中首次破碎液滴的尺寸分布 石艺娜 ， 洪 滔 ， 秦承森 (北京应用物理与计算数学研究所，北京 100094) 摘 要：对气溶胶爆炸抛撒过程中，首次破碎液滴的尺寸分布进行理论和数值研究．基于热力学第二定律的最大 熵增理论 ，建立首次破碎过程满足 的方程组约束条件 ，给出破碎后液滴尺寸分布 的确定方法 ，并对 Air—blast喷 管实验和 Samirant相关实验进行数值模拟预测 ，与实验数据符合较好 ． 关键词 ：气溶胶 ；首次破碎 ；抛撒液滴 ；尺寸分布 中图分类号 ：0389 文献标识码 ：A 0 引言 气溶胶液体抛撒破碎形成液雾是爆炸力学 中一个具有广泛军事和民用背景的研究领域 ，也是云爆类武 器形成空气 一燃料炸药的关键过程．由于抛撒时问短、过程复杂 ，详细的云雾内部参数很难以实验方式获得． 其 中，液体的首次破碎 ，即近场喷射阶段是抛撒过程雾化 的开始 ，实验观测尤为困难 ，成为该课题研究中的第 一 个难点和关键．近年来 ，国内外学者根据不同的应用背景 ，对液体燃料抛撒首次破碎的机理作了大量工作． 如法国Samirant等 利用多种测试技术开展的燃料液体爆炸抛撒瞬态过程实验 ，测量了燃料速度、液滴平均 直径、运动速度以及浓度 、汽化等重要参数 ；蔡庆军等 所做 的轴对称液环抛撒实验 ，以及胡栋等 使用纹 影技术的首次破碎实验表 明，液体表面的不稳定性是造成液环破碎的主要原 因；郭学永等 分析 了燃料爆 炸抛撒初期的射流喷射量 ；李磊等 水平约束爆炸抛撒实验显示 ，壳体装置破裂后 ，液体是 以交叉 的树枝 状、液滴、液膜或液体丝等形态 向外分散 ，随后逐渐破碎成小液滴．依据破碎前不同的流动状况，气溶胶液体 的首次破碎模式呈多样化 ，其主导模式及破碎后液滴分布等信息，尚无法依赖实验获得．目前 ，理论研究的一 个探索途径是分析各类特殊实验结果 ，探讨其中的共性． 近 2O年来 ，由于实验条件的制约 ，对于首次破碎液滴分布的理论预测和评估研究受到了普遍关注．对于 破碎液滴的尺寸大小 ，最简单的是给出其加权或平均直径 ，其 中应用较普遍 的有算术平均直径 D 表面积 平均直径D：。、体积平均直径 D 。和 Sauter平均直径等．由于首次破碎过程产生的液滴具有随机性 ，大小不均 匀 ，尺寸变化较大 ，仅采用平均直径的概念很难描述整个流动过程 ，需要得到液滴的尺寸分布 ，或者液滴直径 分布的概率密度函数 ，这不仅是分析首次破碎和雾化等实际过程的重要参数，也是在计算流体力学程序中， 进一步模拟二次破碎和雾化过程所必须提供 的初始条件．目前 ，大多数研究仍采用基于实验数据拟合的经验 函数形式 ，比较著名的有 Nukiyama—Tanasawa分布 、Rosin-Rammler分布 、Rosion—Rammler修正分布和上限 函数分布等 ；另一种是采用理论公式 ，如正态 Gauss分布、对数正态分布等形式 ，但都缺乏实际的物理意义． 近年来 ，最大熵分布在许多领域 中由于预测相对准确而得到普遍应用 ，Sellens和 Li最先将信息熵的概念 引 入液滴喷雾过程 ，采用最大熵原理得到 了相对准确的预测结果 ；其他学者还研究 了液体射流发生 Rayleigh断 裂后 ，形成液滴的双峰尺寸分布 ，以及次级小液滴 的影响 等．严格意义上讲 ，最大熵原理是基于热力学 平衡的孤立系统建立的，与实际液滴形成和雾化过程为非孤立 的、不可逆系统 的条件是不一致的；Li等 进 一 步提出了基于热力学第二定律的最大熵增理论 ，并且在某些领域得到了较好的应用． 收稿 日期 ：2009—10—16；修 回 日期：2010—04—13 基金项 目：国家 自然科学基金和中国工程物理研究院联合重点基金 ，国家青年科学基金 及中国工程物理研 究院 科学技术发展基金面上项 目(2008B0402044)资助项 目 作者简介 ：石艺娜 (1974一