VirtualFlow | 液体冲击射流数值模拟

本案例通过实验与仿真结合的方法研究不同水流形态下的冲击射流特性。测量数据包括流动机制、射流穿透深度、夹带气泡的索特尔平均直径以及界面不稳定和再夹带等流动特征。数值模拟采用混合模型（Mixture Model）和Level-set界面跟踪技术，结合标准k – ε湍流模型预测射流在自由表面以下的穿透、变形以及在自由表面以下的液体速度和空气含率。根据实验数据和半经验公式，对两种多相流模型进行了比较。

实验装置如图1所示：

 

 

图1 实验装置示意图 

采用高速摄像机捕捉冲击水面的图像，对不同的喷嘴高度和流量进行实验研究。

图2为冲击速度为2.2m/s时两种不同的羽流形状（Lj 为从喷嘴出口到液体表面的降落高度）。

     

a 实验结果

     

b 目标计算图

采用通用流体仿真软件VirtualFlow，分别使用 Mixture Model 与 Level-set 方法对液体射流冲击进行模拟。

 

   

图5 喷管出口速度和射流穿透深度的关系图

从图5可以看出，通用流体仿真软件VirtualFlow得到的模拟结果与实验结果总体吻合较好。Mixture Model 和 Level-set 都能很好地描述垂直入射的液体射流穿透深度。

图5显示了Mixture 与Level-set 模拟的差异：

• 当冲击速度较低时，两种模型同样有效；

• 对于高冲击速度，喷管出口速度为 1.8m/s和 2m/s 时，level-set模型的结果优于 Mixture 结果。原因可能是：level-set模型比Mixture模型预测了更宽范围的尺度或流动的不稳定性。Mixture 对界面光滑处理，这可能导致定义流动的拓扑结构有偏差，低估了剪切诱导的湍流。

(b) level-set模型的体积分数云图

在冲击点以下，流动结构基本呈现出两个截然不同的区域:(1)由冲击的液体射流诱导的向下流动的扩散锥；(2)围绕着前者的一群上升的气泡。在目前的实验研究中，没有对液体流速和空气浓度进行测量。然而，对比Mixture Model 与 level-set 计算的液体速度和体积分数，并与半解析和经验结果进行了比较。

从图8可以看出，从喷嘴中心线向外，液体的速度呈横向衰减趋势，在远离射流中心线处为零。模拟结果与理论分析结果之间存在差异的根源在在于经验式的特性，严格意义上讲，经验式对液-液射流是有效的，而冲射流的速度分布受到卷吸气体的阻力/浮力的影响。虽然两种多相流模型预测中心线上的液体速度较低，但是两种多相流模型的结果和经验公式的结果趋势一致。与Mixture相比，level-set模型预测结果较好。

图9为h=12cm、13cm和14cm时，经验关系式的结果及Mixture/level-set模型的得到的平均体积分数分布。

通过对 Mixture 和level-set模型结果的比较，Mixture在h=14cm时的预测效果好于level-set模型，而在h=12cm时则相反，level-set模型的预测h=13cm时的最大浓度效果略好于Mixture。Mixture的射流横向扩散明显高于level-set模型，Mixture预测的气泡浓度衰减速率也高于level-set模型预测的衰减速率。根据以前对速度分布的比较，level-set模型的结果似乎更符合经验关系式。