液滴撞击倾斜固体壁面变形行为的LBM模拟研究.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：093303 液滴撞击倾斜固体壁面 变形行为的LBM 模拟 郭亚丽 权生林 沈胜强 李维仲 （大连理工大学能源与动力学院，大连116024） （Tel: Email: ylguo@dlut.edu.cn） 摘要 采用格子Boltzmann 力矩模型模拟了液滴撞击倾斜固体平壁的动力学变形行为，考察了在不同 固-液表面间作用力条件下液滴变形的特点。结果表明，在固-液表面间作用力较小时，液滴撞击倾斜 固体表面后出现反弹过程，在固-液表面间作用力增加时，液滴撞击后会沿表面铺展并向下滑动，该作 用力增加到一定程度时，液滴撞击后仅有铺展现象。另外，撞击角对液滴撞击后的变形也有影响。 关键词 格子Boltzmann 方法；液滴；撞击 0 前言 近些年来格子 Boltzmann 方法（LBM）因其程序设计简单、易处理复杂边界问题、 适于大规模并行计算等特点，受到越来越多的关注。该方法基于对流场的介观层次的描 述，它将流场离散为规则的格子，假设流体仅沿格线运动，并在到达格点后与当地粒子 相互作用后继续运动，从而完成质量、动量及能量的输运。它已被广泛地用于解决具有 相变的传热问题、多相流等多种领域的研究。 液滴撞击固体表面的现象在很多工程领域和自然界中广泛存在，例如降膜蒸发、喷 淋冷却、喷涂过程等等。液滴撞击固体表面是一个复杂的动力学过程，当液滴与倾斜壁 面撞击时，液滴扩散边缘的接触角不同，液体流动不再遵从对称规律，因此撞击现象更 加复杂。研究这一复杂过程对于理解其中的物理机制，从而指导实际过程具有重要的理 论和实际意义。 本文采用格子Boltzmann 力矩模型[1]模拟了液滴撞击倾斜固体壁面的的动力学变形 过程，考察了固壁表面与流体间的相互作用强度变化、撞击角度等因素对液滴撞击行为 的影响。 1 格子Boltzmann 方法 本文采用的D2Q9 模型基于向量空间和力矩空间的结合，在每一格子节点处相应离 散速度有9 个独立的力矩。力矩空间与向量空间的关系如下[2] m ∑a f （1） j ij i i 粒子的碰撞和松弛过程可表示为 m ac mbc +s (m eq −m bc ) （2） j j j j j 式中，m ac 与m bc 分别为碰撞后和碰撞前的力矩；s 为松弛因子；m eq 为平衡时力矩。 j j j j 若无外力作用，碰撞前后质量、动量守恒，即 m ac mbc ρ ；m ac mbc j ；m ac mbc j （3a －3c ） 0 0 1 1 x 2 2 y 对于液滴碰撞倾斜固体壁面，需要考虑液- 固间的相互作用力，流体粒子与固体表 面间的相互作用力可表示为[3] ： ( ) ( )