[论文解读] Modeling and Detailed Numerical Simulation of the Primary Breakup of a Gasoline Surrogate Jet under Non-Evaporative Operating Conditions

Bo Zhang, Stéphane Popinet+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 60被引用 5

一句话总结

本研究采用体积分数法对非蒸发 Spray G 条件下的汽油替代喷雾进行了高保真直接数值模拟（DNS）。关键贡献在于识别出最佳匹配实验喷雾穿透与偏转的非零喷射角度（η = 0.2），揭示了导致自相似液滴尺寸与方位角分布的非对称破碎动力学，尽管液滴数量存在强烈的方位角变化。

ABSTRACT

In the present study, detailed numerical simulations are performed to investigate the primary breakup of a gasoline surrogate jet under non-evaporative "Spray G" operating conditions. The Spray G injector and operating conditions, developed by the Engine Combustion Network (ECN), represent the early phase of spray-guided gasoline injection. To focus the computational resources on resolving the primary breakup, simplifications have been made on the injector geometry. The effect of the internal flow on the primary breakup is modeled by specifying a nonzero injection angle at the inlet. The nonzero injection angle results in an increase of the jet penetration speed and also a deflection of the liquid jet. A parametric study on the injection angle is performed, and the numerical results are compared to the experimental data to identify the injection angle that best represents the Spray G conditions. The nonzero injection angle introduces an azimuthally non-uniform velocity in the liquid jet, which in turn influences the instability development on the jet surfaces and also the deformation and breakup of the jet head. The asymmetric primary breakup dynamics eventually lead to an azimuthal variation of droplet size distributions. The number of droplets varies significantly with the azimuthal angle, but interestingly, the probability density functions (PDF) of droplet size for different azimuthal angles collapse to a self-similar profile. Analysis has also been conducted to estimate the percentage and statistics of the tiny droplets that are under resolved in the present simulation. The PDF of the azimuthal angle is also presented, which is also shown to exhibit a self-similar form that varies little over time. Finally, a model is developed to predict the droplet number as a function of droplet diameter, azimuthal angle where a droplet is located, and time.

研究动机与目标

• 通过高保真数值模拟研究非蒸发 Spray G 条件下汽油替代喷雾的一次破碎动力学。
• 通过将模拟结果与实验数据对比，识别出最能再现实验喷雾穿透与偏转的喷射角度。
• 分析由喷射角度引起的方位非均匀速度对界面波发展、喷雾变形与非对称破碎的影响。
• 量化液滴尺寸与方位角分布的自相似性，并估算未解析的亚微米液滴所占比例。
• 基于自相似统计分布，建立液滴数量与液滴直径、方位角及时间的预测模型。

提出的方法

• 采用 Basilisk 求解器进行直接数值模拟（DNS），利用保持动量守恒的体积分数（VOF）方法解析界面两相流。
• 简化喷油器几何结构，并通过入口处非零喷射角度（α）建模内部流动效应，其中 η = tan(α) 为关键参数。
• 对喷射角度（η）进行参数化研究，并将模拟得到的喷雾穿透与偏转与实验 Spray G 数据对比，以校准模型。
• 采用多种网格分辨率（L11 与 L12）评估数值收敛性，并估算因网格分辨率限制而未解析的最小尺寸以下液滴所占比例。
• 通过对液滴直径与方位角的概率密度函数（PDF）拟合对数正态分布与伽马分布，识别出自相似行为。
• 基于观测到的自相似 PDF，提出一种基于液滴直径、方位角与时间的液滴数量预测模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Spray G 条件下，何种喷射角度（η）最能再现汽油替代喷雾一次破碎过程中的实验喷雾穿透长度与偏转角？
• RQ2 非零喷射角度如何引起界面波发展、喷雾头部变形与液滴形成中的方位非对称性？
• RQ3 液滴直径与方位角的概率密度函数（PDF）是否随时间表现出自相似行为？若存在，其函数形式为何？
• RQ4 由于网格分辨率限制，模拟中未解析的亚微米液滴占总液滴质量的比例是多少？
• RQ5 能否基于后期时间下观测到的液滴直径与方位角自相似 PDF 构建液滴数量的预测模型？

主要发现

• 喷射角度 η = tan(α) = 0.2 被确定为最匹配实验数据的喷雾穿透长度与偏转角。
• 非零喷射角度引起方位非均匀速度，导致喷雾上表面界面波长变短，且上部喷雾头部更早、更剧烈地破碎。
• 尽管液滴数量存在强烈方位角变化，液滴直径的 PDF 在所有方位角下均坍缩为自相似分布，且能被对数正态分布与伽马分布良好拟合。
• 方位角 PDF 可由双曲正切函数良好表示，且在 t ≳ 27 µs 后随时间变化极小。
• 估计约 3.1% 的总液滴质量由 L12 网格分辨率下未解析的亚微米液滴组成。
• 基于液滴直径、方位角与时间的液滴数量预测模型与模拟结果高度一致，其构建依赖于观测到的自相似 PDF。