[论文解读] Implicit Large Eddy Simulation of Cavitation in Micro Channel Flows

Stefan Hickel, M. Mihatsch+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2014

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics参考文献 17被引用 21

一句话总结

本研究提出了一种用于可压缩两相流的隐式大涡模拟（LES）框架，用于模拟具有阶梯状障碍物的微通道流中的空化现象，采用巴otropic状态方程和基于平衡的相变模型。该方法能够解析可压缩波动力学和剪切层湍流，准确捕捉复杂的空化流结构，并与Iben等人（2010年）的实验数据进行了验证。

ABSTRACT

We present a numerical method for Large Eddy Simulations (LES) of compressible two-phase flows. The method is validated for the flow in a micro channel with a step-like restriction. This setup is representative for typical cavitating multi-phase flows in fuel injectors and follows an experimental study of Iben et al., 2010. While a diesel-like test fuel was used in the experiment, we solve the compressible Navier-Stokes equations with a barotropic equation of state for water and vapor and a simple phase-change model based on equilibrium assumptions. Our LES resolve all wave dynamics in the compressible fluid and the turbulence production in shear layers.

研究动机与目标

• 开发一种用于模拟与燃油喷射器相关的微通道中空化流的数值框架。
• 解决在湍流剪切层下对可压缩两相流进行相变建模的挑战。
• 将LES方法与Iben等人（2010年）的实验数据进行对比，实验涉及类似柴油的燃料与水蒸气混合物。
• 评估隐式LES捕捉受限几何结构中非定常空化动力学与波传播的能力。
• 评估巴otropic状态方程和基于平衡的相变模型在预测空化流特征方面的性能。

提出的方法

• 采用有限体积离散化和隐式时间积分方法求解可压缩N-S方程。
• 采用巴otropic状态方程来模拟水相与蒸汽相的热力学行为。
• 应用基于平衡的相变模型来模拟液-汽相变，无需求解质量传递的输运方程。
• 采用隐式大涡模拟方法，直接解析大尺度湍流结构和可压缩波动力学。
• 采用高阶数值格式，以确保在空化流中陡峭梯度和间断处的解析精度。
• 将模拟设置与Iben等人（2010年）关于具有阶梯状障碍物的微通道的实验数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 隐式LES能否准确捕捉具有几何约束的微通道流中非定常空化动力学？
• RQ2 巴otropic状态方程在空化流中对水-蒸汽混合物热力学行为的表征能力如何？
• RQ3 基于平衡的相变模型在多大程度上能再现实验中的空化模式？
• RQ4 可压缩波动力学与湍流剪切层不稳定性在空化微流中如何相互作用？
• RQ5 隐式LES框架在预测燃油喷油器类几何结构中复杂两相流特征方面具有多强的预测能力？

主要发现

• 隐式LES框架成功解析了在强相变存在下仍能保持稳定的可压缩波动力学与非定常湍流。
• 模拟准确捕捉了微通道中蒸汽空泡的形成、增长与溃灭过程，与Iben等人（2010年）实验中观察到的关键特征一致。
• 巴otropic状态方程在高压梯度条件下对液-汽混合物行为提供了稳定且准确的表征。
• 基于平衡的相变模型无需显式质量传递建模即可实现对空化起始与演化的合理预测。
• 该方法成功再现了与空化流相关的复杂流动结构，如涡旋脱落和类似激波的波传播。
• 与实验数据的吻合度证实了隐式LES方法在空化微通道流中的鲁棒性与预测能力。