高周波脈動流中の気液界面から飛散分裂する液滴群の挙動の統計評価とモデリング

高频脉动流中从气液界面散射和破碎的液滴行为的统计评估和建模

• 批准号: 21K03858
• 负责人: 尾形 陽一
• 金额: $ 2.5万
• 依托单位: Hiroshima University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03858/
• 关键词: 気液二相流; 流体不安定性; 微粒化; モデリング; 脈動流; エンジン

今年度の研究計画である実機エンジン条件を模擬した，直管と曲り管内の変動気流場における評価，および飛散・分裂の数値モデルの構築とシミュレーションへの応用を行うため，風洞を用いて矩形断面直管内気流変動と壁面近傍の乱流強度計測，および前年度に実施した矩形断面直管内の定常・脈動気流中を流れる薄液膜から生じる飛散液滴の分裂機構・飛散発生条件を基に，曲管を流れる液膜からの液滴飛散・分裂挙動計測を行い，曲り部の気相分布との相関性を調査した．矩形直管では分裂発生の閾値気相流速を超えると，液膜から空間分布に偏り無く管内で飛散が発生するが，曲管では気相が曲り部に流入直後，局所的に気相が加速される領域で振幅の大きい波も生成され，直管で飛散が生じない流入速度でも高頻度で飛散・分裂が生じる．一方，曲り内側の気相剥離領域および曲り外側では直管の閾値速度より減速される領域が現れ，飛散も生じないことから，気相分布と飛散領域の相関が明らかとなり，流速に空間分布が有る場合も直管の飛散条件が局所的に適用可能であることが分かった．しかし，直管では生じない壁面からの反射波，波同士の干渉の効果も現れ，管の大きい曲り角では顕著になることから，曲り角もしくは曲率半径の組込みが必要と考えられる．また，多数の飛散計測から飛散サイズと分裂時間の統計評価を行い，単一液滴分裂と直管・曲管での液膜飛散分裂の類似・相異を調査した．気相流速の増加に伴い分裂時間は短くなり，単一液滴の流体力学的時間スケールの傾向と整合する一方，分裂が生じる臨界ウェーバー数は液膜の方が大きく，分裂時間は曲り部で直管より短くなる傾向も得られ，基礎データとしてモデル構築に応用出来る．

今年的研究计划是评估直管和弯管中的脉动气流场，模拟发动机的实际工况，构建散射和破碎的数值模型，并将其应用于直管中的气流脉动和近壁强湍流的模拟。基于矩形截面直管中稳定脉动气流中流动的薄液膜的分裂机制和散射产生条件，分析了在弯管中流动的液膜液滴的散射和破碎行为。并研究了与弯曲处气相分布的相关性。在矩形直管中，当气相流速超过分裂阈值时，液膜在管内分散，空间分布没有任何偏差，但在弯管中，气相进入弯管后立即局部加速在引起流动的区域也会产生大振幅的波，即使在不会引起直管内散射的流入速度下，也会经常发生散射和破碎。另一方面，在弯管内侧和弯管外侧的气相分离区域中，出现速度减速到直管阈值速度以下的区域，并且不发生散射，因此气相分布与散射区域之间的相关性变得清晰，并且出现了流速的空间分布，发现即使存在情况也可以局部应用直管的散射条件。然而，直管中不会发生的来自墙壁的反射波和波之间的干扰的影响也会出现，并且当管道有较大弯曲时更明显，因此认为有必要考虑弯曲角度或半径的曲率。此外，我们还通过大量散射测量对液滴尺寸和破碎时间进行了统计评估，并研究了直管和弯管中单液滴破碎与液膜破碎的异同。虽然破碎时间随着气相流速的增加而减少，这与单液滴的流体动力学时间尺度的趋势一致，但液膜发生破碎的临界韦伯数较大，并且在弯曲处破碎时间呈减少趋势。还得到了比直管短的管道，可以作为模型构建的基础数据。

项目成果

矩形管内の定常・脈動気流を受ける液膜飛散分裂挙動の研究

矩形管内稳态和脉动气流下液膜散射和破碎行为研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 丸岡 朋貴; 謝哲也; 西田 恵哉; 川口 幹祐; 長野 祥江; 幸徳 正信; 中島聖; 尾形 陽一
• 通讯作者: 尾形 陽一

自動車エンジン排気系流動場を想定した脈動気流における 矩形管壁面熱伝達の研究

假设汽车发动机排气系统流场的脉动气流中矩形管壁的传热研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Kemmei FUJIMOTO; Yuki KATO; Mikimasa K AWAGUCHI; Keiya NISHIDA; Jun NISHIKAWA; Hitoshi HONGOU; Kazuhiro NAKAMURA; Shinji SUMI; Yoichi OGATA
• 通讯作者: Yoichi OGATA

水平矩形管の曲がりが気液界面の飛散・分裂に及ぼす影響

水平矩形管弯曲对气液界面散射和破碎的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: Tomoki MARUOKA; Mikimasa KAWAGUCHI; Nishida KEIYA; Yoichi OGATA; Yoshie NAGANO; Akira NAKASHIMA ;Jun NISHIKAWA
• 通讯作者: Jun NISHIKAWA

矩形管内の定常・脈動気流を受ける液膜飛散分裂挙動の研究

矩形管内稳态和脉动气流下液膜散射和破碎行为研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 丸岡 朋貴; 謝哲也; 西田 恵哉; 川口 幹祐; 長野 祥江; 幸徳 正信; 中島聖; 尾形 陽一
• 通讯作者: 尾形 陽一

水平矩形管の曲がりが気液界面の飛散・分裂に及ぼす影響

水平矩形管弯曲对气液界面散射和破碎的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: Tomoki MARUOKA; Mikimasa KAWAGUCHI; Nishida KEIYA; Yoichi OGATA; Yoshie NAGANO; Akira NAKASHIMA ;Jun NISHIKAWA
• 通讯作者: Jun NISHIKAWA