均匀风场作用下黏性可压缩射流稳定性分析

doi:10.19596/j.cnki.1001-246x.8835

摘要/Abstract

摘要：

针对均匀风场作用下黏性可压缩射流稳定性问题, 基于线性稳定性理论, 建立均匀风场作用下黏性可压缩液体射流稳定性的数学模型, 并对数学模型的正确性及其求解方法进行验证。研究表明: 均匀风场对流体轴对称扰动和非轴对称扰动的影响作用相同, 且在扰动中占主要形式的是非轴对称扰动。气相压缩性使射流稳定性变差, 而液相压缩性对射流稳定性的影响微乎其微。均匀风场对射流稳定性的影响主要体现在: 顺风风场能够促进射流的稳定性, 抑制分裂与雾化现象的发生; 逆风风场能够抑制射流的稳定性, 促进分裂与雾化现象的发生。

关键词: 可压缩, 射流, 稳定性, 均匀风场, 色散方程

Abstract:

The present study aims to establish a mathematical model for the stability analysis of a viscous compressible liquid jet in a homogeneous wind field, utilizing linear stability theory. Furthermore, the validity of the proposed mathematical model and its solution method are subsequently verified. The findings indicate that the homogeneous wind field exerts an equal influence on both the axisymmetric disturbance and the non-axisymmetric disturbance, with the latter being the predominant form of disturbance. The compressibility of the gas phase has a detrimental effect on the stability of jet flow, while the compressibility of the liquid phase has negligible impact on the stability of jet flow. The impact of a homogeneous wind field on jet stability is primarily manifested in two key dimensions. The presence of a tailwind field has the potential to enhance the stability of jets and impede the likelihood of splitting and atomization. The presence of the deadwind field has the potential to diminish the stability of the jet flow and facilitate the occurrence of splitting and atomization.

Key words: compressible, jet, stability, homogeneous wind field, dispersion equation

赵腾飞, 张华. 均匀风场作用下黏性可压缩射流稳定性分析[J]. 计算物理, 2025, 42(1): 1-9.

Tengfei ZHAO, Hua ZHANG. Study on Instability of Viscoelastic Liquid Jet in Homogeneous Wind Field[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2025, 42(1): 1-9.

图/表 5

图1 液体射流示意图

Fig.1 Liquid jet diagram

图2 风场强度对轴对称扰动和非轴对称扰动的作用(Mal=0.15, Mag=0.3, Re=10 000, Q=0.001 18, We=250 000) (a) m=0；(b) m=1

Fig.2 Effect of wind field intensity on axisymmetric and non-axisymmetric disturbances(Mal=0.15, Mag=0.3, Re=10 000, Q=0.001 18, We=250 000) (a) m=0;(b) m=1

图3 不同角向模数下支配增长率随风速的变化(Mal=0.15，Mag=0.3，Re=10 000，Q=0.001 18，We=250 000)

Fig.3 Variation of the dominant growth rate with wind speed under different angular modulus(Mal=0.15, Mag=0.3, Re=10 000, Q=0.001 18, We=250 000)

图4 流体压缩性对射流稳定性的影响(We=250 000，Q=0.001 18，Re=10 000，Ug=0.1，m=1) (a)扰动波增长率变化图；(b)支配扰动波增长率变化图

Fig.4 Effect of fluid compressibility on jet stability(We=250 000, Q=0.001 18, Re=10 000, Ug=0.1, m=1) (a) disturbance growth rate variation diagram; (b) maximum disturbance growth rate variation diagram

图5 均匀风场对射流稳定性的影响(Mal=0.15，Mag=0.65，Q=0.001 18，Re=10 000，We=250 000，m=1) (a)扰动波增长率变化图；(b)支配扰动波增长率变化图

Fig.5 Effect of uniform wind field on jet stability(Mal=0.15, Mag=0.65, Q=0.001 18, Re=10 000, We=250 000, m=1) (a) disturbance growth rate variation diagram; (b) maximum disturbance growth rate variation diagram

参考文献 32

1	薛万云, 杨家修, 杜帅群, 等. 基于CFD的挑流泄洪雾化特性研究[J]. 水利水电科技进展, 2020, 40 (4): 16- 20.
2	李玉兰, 王谦, 芮璐, 等. 喷射压力对直喷天然气发动机燃烧特性的影响[J]. 舰船科学技术, 2021, 43 (19): 89- 94.
3	LIN Li , LI Yi , ZHANG Wei , et al. Research progress on the impact of flood discharge atomization on the ecological environment[J]. Natural Hazards, 2021, 108 (2): 1415- 1426. DOI
4	张华, 宋佳星, 何贵成, 等. 泄洪雾化对天气环境影响的松弛同化方法研究[J]. 水利学报, 2019, 50 (10): 1222- 1230.
5	许坤梅, 张平. 半封闭圆管冲击射流湍流换热数值模拟[J]. 北京理工大学报, 2003, 23 (5): 540- 544.
6	张清荣, 黄榕, 马世赫, 等. 脉冲态空化射流掩模电解加工试验研究[J]. 科学技术与程, 2021, 21 (21): 8876- 8882.
7	薛联芳. 大坝泄洪雾化环境影响及减免措施研究[J]. 四川水力发电, 2005, 24 (5): 104- 107.
8	邵长孝, 柴敏, 王海鸥, 等. 液雾燃烧的全尺度直接数值模拟[J]. 燃烧科学与技术, 2019, 25 (5): 379- 383.
9	杜青, 史绍熙, 刘宁, 等. 液体燃料射流最不稳定频率的理论分析(1)——液体燃料射流的最不稳定频率及无量纲数的影响[J]. 内燃机学报, 2000, 18 (3): 283- 287.
10	阎凯, 宁智, 吕明. 圆环旋转黏性液体射流空间不稳定性研究[J]. 力学学报, 2012, 44 (4): 687- 693.
11	上官燕琴, 王娴, 李跃明. 基于格子Boltzmann方法的平板射流大涡模拟[J]. 计算物理, 2015, 32 (6): 669- 676.
12	张华, 杨明慧. 可压缩黏性圆射流稳定性分析[J]. 计算物理, 2022, 39 (5): 529- 536. DOI
13	戴仁杰. 圆射流瑞利-泰勒(R-T)表面波线性稳定性分析[D]. 西安: 长安大学, 2020.
14	刘松. 轴向/旋转复合气流对圆射流碎裂过程影响的理论研究[D]. 西安: 长安大学, 2017.
15	舒力. 圆射流多级表面波的非线性稳定性研究[D]. 西安: 长安大学, 2018.
16	LI Xianguo . Mechanism of atomization of a liquid jet[J]. Atomization and Sprays, 1995, 5 (1): 89- 105.
17	CHEN Tingbao , LI Xianguo . Liquid jet atomization in a compressible gas streams[J]. Journal of Propulsion and Power, 1999, 15 (3): 369- 376.
18	YAN Kai , NING Zhi , LV Ming , et al. Nonlinear spatial instability of an annular swirling viscous liquid sheet[J]. Physics of Fluids, 2015, 27 (2): 024101.
19	PARK H , YOON S S , HEISTER S D . On the nonlinear stability of a swirling liquid jet[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2006, 32 (9): 1100- 1109.
20	吕明, 宁智, 阎凯, 等. 同轴旋转可压缩流动中液体射流稳定性[J]. 力学学报, 2013, 45 (3): 323- 330.
21	邓甜, 李佳周, 陈伟. 剪切气流中无黏液体横向射流破碎机理[J]. 航空学报, 2021, 42 (7): 141- 151.
22	张华, 孙春雨. 二滩水电站泄洪雾化对局地天气影响范围的研究[J]. 水利水电技术(中英文), 2021, 52 (11): 131- 142.
23	张华, 彭燕祥, 牛栋. 复杂地形区域近地层风场的WRF模拟研究[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2018, 16 (2): 98- 104.
24	练继建, 董照, 刘昉, 等. 低气压环境中的挑流水舌动水压强实验研究[J]. 水力发电报, 2019, 38 (10): 101- 110.
25	齐春风, 练继建, 刘昉, 等. 底流钢膜消力池底板上表面脉动压力试验[J]. 水利水电科技进展, 2018, 38 (2): 33-38, 69.
26	练继建, 刘丹, 刘昉. 高土石坝异型水舌雾化的数值反馈预测[J]. 水利水电技术, 2019, 50 (4): 113- 119.
27	练继建, 刘丹, 刘昉. 复杂空中碰撞下泄流雾化的数值预测[J]. 水力发电学报, 2019, 38 (5): 46- 56.
28	刘明宇, 马延文, 傅德薰. 可压缩轴对称射流流场近区的数值模拟[J]. 计算物理, 2000, 17 (4): 341- 346.
29	易世君. 粘性液体射流分裂雾化机理及喷雾特性研究[D]. 大连: 大连理工大学, 1996.
30	LIN S P , KANG D J . Atomization of a liquid jet[J]. Physics of Fluids, 1987, 30 (7): 2000- 2006.
31	LIN S P , LIAN Z W . Mechanism of the breakup of liquid jet[J]. AIAA Journal, 1990, 28 (1): 120- 126.
32	YANG H Q . Asymmetric instability of a liquid jet[J]. Physics of Fluids, 1992, 4 (4): 661- 669.

[1]	肖梦娟, 谢寒松, 宾远为, 张又升. 面向工程应用的流体界面失稳湍流混合问题建模进展[J]. 计算物理, 2024, 41(6): 732-745.
[2]	欧阳思杰, 胡双辉, 欧阳学峰, 朱万坡, 兰源丹, 黄旋格. ITER具有内部输运垒方案中的离散阿尔芬本征模[J]. 计算物理, 2023, 40(6): 677-688.
[3]	刘子岩, 许亮. 嵌入物理约束的可压缩多介质流神经网络模型[J]. 计算物理, 2023, 40(6): 761-769.
[4]	朱万坡, 胡双辉, 欧阳学锋, 欧阳思杰, 兰源丹. EAST高约束运行条件下离散阿尔芬本征模的数值模拟[J]. 计算物理, 2023, 40(4): 461-472.
[5]	徐敬坤, 汪卫华. EAST通行高能粒子激发的非共振鱼骨模不稳定性模拟[J]. 计算物理, 2023, 40(3): 291-300.
[6]	蔡洪波, 许育培, 姚沛霖, 张恩浩, 黄翰霄, 朱少平, 贺贤土. 混合流体-PIC物理建模及其在激光聚变中的应用[J]. 计算物理, 2023, 40(2): 159-168.
[7]	梁炜光, 桑建兵, 田红艳, 段文杰, 陶雅萍, 李烽韬. 基于数据驱动管道流体湍流模型的系数修正及流动特性分析[J]. 计算物理, 2023, 40(1): 57-66.
[8]	张华, 杨明慧. 可压缩黏性圆射流稳定性分析[J]. 计算物理, 2022, 39(5): 529-536.
[9]	唐利红, 贺宗梅, 姚延立. 具有隐藏超级多稳定性的磁感应HR神经元及其电路实现[J]. 计算物理, 2022, 39(5): 589-597.
[10]	李子丰, 杨宁. 模拟射流雾化过程的VOF-LPT耦合方法[J]. 计算物理, 2022, 39(4): 440-452.
[11]	房尧立, 王一. 一种求解二维辐射流体力学方程组的显隐式格式[J]. 计算物理, 2021, 38(4): 401-417.
[12]	薛创, 李馨东, 孙文俊, 叶文华, 彭先觉. 多介质五方程简化模型及界面捕捉的人工压缩算法[J]. 计算物理, 2021, 38(3): 257-268.
[13]	李康, 李守先, 刘娜. 强爆炸火球辐射流体自适应网格高精度数值模拟[J]. 计算物理, 2021, 38(2): 146-152.
[14]	曹启伟, 肖德龙, 杨显俊, 王建国. 磁瑞利-泰勒不稳定性非线性演化数值模拟[J]. 计算物理, 2021, 38(1): 5-15.
[15]	谷建法, 葛峰峻, 戴振生, 邹士阳. 靶丸支撑膜对ICF内爆性能影响的模拟研究[J]. 计算物理, 2020, 37(6): 631-638.