液滴自由下落及液面撞击过程的三维数值仿真

简介：
本研究运用计算流体动力学(CFD)技术进行三维数值模拟，专注于分析液体滴落并撞击液面时的动力学行为，探讨不同条件下的物理现象。 液滴自由下落与液面冲击过程的三维数值模拟是流体力学中的一个复杂研究领域，涉及多相流问题。学者蒋昌波、邓斌、隆院男及陈杰利用三维非稳态Navier-Stokes方程对这一现象进行了详细的数值分析，并揭示了液体飞溅、融合和跃动等界面变形的细节。 Navier-Stokes方程是一组描述流体运动的基本偏微分方程，它表达了流体内动量守恒的原则。在液滴自由下落与冲击的研究中，三维非稳态形式更为适用，因为它能够捕捉到随时间变化且空间分布复杂的流动现象。由于该过程的时间和空间特性高度动态，采用这一模型是必要的。 数值模拟过程中采用了有限体积法来离散化控制方程（如Navier-Stokes方程）。这种方法通过将计算域划分为一系列小的网格单元，并对每个单元进行积分，从而获得整个流场的近似解。有限体积法尤其适用于处理复杂的流动问题，因为它能够自然地保证守恒定律的形式。 VOF方法（Volume of Fluid）是一种追踪不同相界面位置的有效数值技术，在自由表面流体动力学中应用广泛。通过引入一个标量函数来代表计算单元内某一相的体积分数，VOF可以准确捕捉到液滴形状变化、液面波动和水柱跃起等现象。 CSF模型（Continuum Surface Force Model）是一种模拟表面张力作用的方法，在处理如液体飞溅与融合等问题时非常有用。在液滴冲击过程中，表面张力对流体界面的形态及其流动特性有决定性影响。通过结合VOF方法和考虑表面张力效应，CSF模型能够更精确地描述这些动态变化。 引言部分指出，液滴撞击液面的现象广泛存在于自然界与工程应用中，如雨水冲击地面、喷墨打印、内燃机燃油喷射及喷雾冷却等场景。研究这类现象有助于深入理解复杂的气-液界面相互作用机制，是相关领域的重要基础课题之一。 此外，作者提到该研究成果得到了科研基金的支持，表明其受到了学术界的关注和认可。 综上所述，这项工作详细探讨了三维数值模拟方法在探究液滴自由下落与冲击过程中的应用，并通过前沿的理论模型和技术提供了新的见解。这些发现不仅深化了对复杂气-液界面流动现象的理解，还为工程实践提供了一套有效的研究工具。