液滴碰壁最大铺展直径的获取方法及装置与流程

本发明属于机械领域，特别是涉及一种液滴碰壁最大铺展直径的获取方法及装置。

背景技术：

在小型高速柴油机中或缸内直喷汽油机中，随着燃油喷射压力的不断升高，喷雾液滴碰壁现象变得越发明显。燃油液滴碰壁后的铺展情况对发动机缸内混合气形成、火焰传播以及排放污染物形成等均有着极其重要的影响。液滴碰壁运动后最大铺展直径的计算方法可为液滴碰壁运动的研究提供基础。

液滴撞击壁面后的运动形态以润湿壁面的铺展运动为主，当撞击壁面的速度较大时才会伴随飞溅等现象的发生。铺展直径最大值是液滴撞击壁面铺展运动的重要参数，能够在一定程度上反映液滴撞击壁面时液滴润湿壁面的程度，对撞击壁面时液滴与壁面的传热过程有重要影响；同时一些研究者将铺展直径最大值作为液滴撞击壁面是否发生飞溅运动的重要判据。可见对铺展直径最大值计算的研究对液滴撞击壁面运动的研究具有重要意义。

现有获取液滴碰壁最大铺展直径的方法得到的铺展直径最大值多数仅与韦伯(We)数相关，没有考虑壁面润湿作用对铺展直径最大值的影响或者不能全面反映壁面润湿作用对铺展直径最大值的影响。

技术实现要素：

本发明实施例要解决的一个技术问题是：提供一种液滴碰壁最大铺展直径的获取方法及装置，提高液滴铺展直径最大值的计算速度，并且考虑壁面润湿 作用对铺展直径最大值的影响，提高铺展直径最大值计算的精度和有效性。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种液滴碰壁最大铺展直径的获取方法，包括：获取液滴在壁面上的前进接触角θ_a；以及根据前进接触角θ_a获取液滴碰壁最大铺展直径。

根据本发明实施例的方法，所述根据前进接触角θ_a获取液滴碰壁最大铺展直径具体为：

根据计算液滴撞击壁面后铺展直径最大值d_max；其中，d₀为液滴初始直径；We为韦伯数；Re为雷诺数；K为指前因子。

根据本发明实施例的方法，还包括：获取液滴在壁面上的液滴初始直径d₀；获取韦伯数We；获取雷诺数Re；获取动态接触角最大值θ_d,max；及根据预设算法，由动态接触角最大值θ_d,max计算指前因子K。

根据本发明实施例的方法，根据预设算法，由动态接触角最大值θ_d,max计算指前因子K具体为：根据其中A、B、C均为常数。

根据本发明实施例的另一个方面，提供一种液滴碰壁最大铺展直径的获取装置，包括：获取液滴在壁面上的前进接触角θ_a的单元；以及根据前进接触角θ_a获取液滴碰壁最大铺展直径的单元。

根据本发明实施例的装置，所述根据前进接触角θ_a获取液滴碰壁最大铺展直径具体为：

根据计算液滴撞击壁面后铺展直径最大值d_max；其中，d₀为液滴初始直径；We为韦伯数；Re为雷诺数；K为指前因子。

根据本发明实施例的装置，还包括：获取液滴在壁面上的液滴初始直径d₀的单元；获取韦伯数We的单元；获取雷诺数Re的单元；获取动态接触角最大值θ_d,max的单元；及根据预设算法，由动态接触角最大值θ_d,max计算指前因子K的单元。

根据本发明实施例的装置，根据预设算法，由动态接触角最大值θ_d,max计算指前因子K具体为：根据其中，A、B、C均为常数。

基于本发明实施例提供的液滴碰壁最大铺展直径的获取方法及装置，改进了目前液滴碰壁铺展直径最大值的计算方法，在铺展直径最大值的计算中考虑了壁面润湿作用对铺展直径最大值的影响，提高了铺展直径最大值计算的精度和有效性，提高了液滴铺展直径最大值的计算速度。

附图说明

图1是显示粗糙壁面上加入或吸出少量液体后液滴接触角随液滴体积变化的示意图。

图2是显示本发明的计算方法与Kwon解析模型计算方法以及数值模拟方法得到的铺展直径最大值随撞击初始速度变化的示意图。

图3是显示本发明指前因子K随θ_d,max/θ_a变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，采用解析模型对铺展直径最大值进行计算时，一般首先将液滴撞击壁面后的形态假设为扁盘形，在此基础上通过考虑液滴撞击壁面前后动能、表面能和粘性耗散三者之间的关系推导出铺展直径最大值的表达 式。Kwon采用这种方法建立了铺展直径最大值的解析模型

其中，d₀为液滴初始直径；d_max为液滴撞击壁面后铺展直径最大值；θ_e为静态平衡接触角；We为韦伯(Weber)数；Re为雷诺(Reynolds)数。根据二元一次方程的求根公式，上式的解为

为方便起见，定义ξ＝d/d₀为无量纲铺展直径，ξ_max＝d_max/d₀为无量纲铺展直径最大值。

在Kwon得到的解析模型中考虑了粘性耗散、表面能以及动能对铺展直径最大值的影响，但只是通过静态平衡接触角θ_e来计算铺展直径最大值，无法全面反映壁面润湿性能对铺展直径最大值的影响。

本发明人通过大量的理论分析和实验，进行了壁面润湿作用对铺展直径最大值影响的参数分析。通过理论分析和实验发现，对于理想壁面，液滴在壁面上的接触角为唯一的Young接触角θ_Y。而对于粗糙壁面，实验表明，接触角可能会发生变化。假定液滴静止于壁面上，此时液滴与壁面的接触角为静态平衡接触角θ_e，现对液滴加入和吸出少量液体，如图1所示，是显示粗糙壁面上加入或吸出少量液体后液滴接触角随液滴体积变化的示意图。

在图1中，对液滴加入或吸出少量液体后，接触线位置可以保持不变。其中，在对液滴加入少量液体后，液滴体积增大，接触角增大到θ₂，加入的液体质量越多，接触角θ₂越大，直到增大到某一临界接触角为止。因此，静止在粗糙壁面上的液滴与壁面间的接触角存在上限θ_a，称θ_a为前进接触角。同样，对液滴吸出少量液体后，液滴体积变小，接触角变小到θ₁，吸 出的液体质量越多，接触角θ₁越小，直到减小到某一临界接触角为止。因此，静止在粗糙壁面上的液滴与壁面间的接触角存在下限θ_r，称θ_r为回缩接触角。

液滴在实际粗糙壁面上可存在多个力学稳定接触角，将接触角的上限和下限之差Δθ＝θ_a-θ_r定义为接触角的滞后。将实际粗糙壁面上存在的这种接触角的滞后现象称为接触角滞后性。

从以上分析可以看出，静止液滴与壁面间的接触角大于或等于前进接触角θ_a时，液滴才有可能从静止状态转变为运动状态，从而发生液滴润湿壁面的现象。可见，与静态平衡接触角θ_e相比，前进接触角θ_a更能够反映壁面对铺展直径最大值的影响。

从接触角滞后性静态液滴接触角的变化特性可以看出，与静态平衡接触角θ_e相比，前进接触角θ_a更能够反映壁面对铺展直径最大值的影响。同时，从液滴润湿壁面运动时动态接触角的变化特性可以看出，润湿壁面时动态接触角始终远大于静态平衡接触角θ_e，稍大于前进接触角θ_a。因此，根据接触角的滞后性，当对液滴进行静态能量平衡分析时，将式Kwon解析模型中的静态平衡接触角θ_e替代为前进接触角θ_a，以反映接触角滞后性对铺展运动的影响。另外，由于液滴在壁面上润湿运动时的动态接触角θ_d总是大于前进接触角θ_a，本发明实施例通过引入动态接触角最大值θ_d,max对铺展直径最大值进行修正。由此，改进后的无量纲铺展直径最大值的Kwon解析模型可以表示为：

其中，为指前因子，其中A、B、C均为常数，是通过计算得到。

现对实施例中的指前因子K的物理意义进行说明。指前因子K是θ_d,max/θ_a的函数；其中θ_a为液滴前进接触角，主要与液滴性质及壁面性质相关；θ_d,max为动态接触角最大值，主要与液滴性质、壁面性质以及液滴撞击壁面的初始速度相关；因此，指前因子K综合反映了液滴性质、壁面性质以及液滴撞击壁面的初始速度等对铺展直径最大值的影响。

请参阅图2所示，是显示本发明的计算方法与Kwon解析模型计算方法以及数值模拟方法得到的铺展直径最大值随撞击初始速度变化的示意图。从图2中可以看到，由于只是通过静态平衡接触角θ_e来考虑壁面润湿作用对液滴铺展运动的影响，因此采用Kwon解析模型得到的计算结果与采用数值模拟方法得到的计算结果相比存在较大的偏差。但是通过建模、划分网格，求解流体流动的纳维斯托克斯方程及相界面追踪的数值模拟方法，由于与网格划分及收敛条件相关，花费的时间较长，一个简单的液滴碰壁运动的数值计算过程需要几个小时甚至几天的时间。

而在本发明的计算方法中，通过引入前进接触角θ_a和与θ_d,max/θ_a相关的指前因子K来反映壁面润湿作用对液滴撞击壁面铺展运动的影响，因此计算结果与采用数值模拟方法得到的计算结果比较吻合，从而提高了液滴铺展直径最大值的计算速度，并且考虑壁面润湿作用对铺展直径最大值的影响，提高了铺展直径最大值计算的精度和有效性，验证了本发明的有效性。

请参阅图3所示，是显示本发明指前因子K随θ_d,max/θ_a变化的示意图。从图3中可以看到θ_d,max/θ_a越大，指前因子K越大。由于对于固定的液滴和壁面来说存在唯一的前进接触角θ_a，因此指前因子K越大，意味着θ_d,max越大，θ_d,max越大意味着液滴撞击壁面的初始速度越大，铺展直径最大值越大。因此，指前因子K可以在一定程度上表征液滴撞击壁面的铺展程度。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。