喷雾·微粒化

液体从喷嘴喷射并分裂成细微液滴的过程（atomization，微粒化）的模拟。柴油发动机燃料喷射、燃气轮机燃料喷射、喷雾涂装、农药散布、灭火器喷雾等，用于所有喷雾工艺的设计。

喷雾过程分为两个阶段。在喷嘴出口处液柱或液膜分裂成液滴的是一次微粒化（primary atomization），生成的液滴进一步变细是二次微粒化（secondary breakup）。本文介绍从一次微粒化到整个喷雾的建模。

以下是主要参数。

SMD（Sauter Mean Diameter）是喷雾最常用的代表径。蒸发和反应速度与表面积成正比，所以体积/表面积比的代表径很有用。

从喷嘴内部流动直接追踪液柱分裂在计算成本上是巨大的，所以使用工程模型。

Blob injection法是Reitz（1987）提出的最实用的方法，投入与喷嘴径相同大小的液滴（Blob），然后用DPM追踪，用二次微粒化模型（KHRT等）使其变细。

Lagrangian喷雾计算最大的问题是网格依赖性。喷嘴附近会集中大量parcel，CFD网格尺寸会影响parcel的动量源。

Abraham（1997）的指南建议，每个网格中的液相体积分率应该很低（理想情况下1%以下）。实务上，将喷嘴附近的网格设为0.5～2 mm，并结合AMR。

喷雾前端会移动，所以需要细网格的区域随时间变化。用AMR（自适应网格细化）只在喷雾存在的区域自动细分，相比固定网格可以大幅降低计算成本。CONVERGE因为内置AMR，在喷雾计算中表现出强大优势。

在高压喷射喷嘴中，喷嘴内部会发生空化，这促进了喷雾的微粒化。提前计算喷嘴内部流动，将出口处的湍流特性和液膜分布作为Lagrangian喷雾计算的入口条件，是提高精度的有效方法。

CONVERGE通过自动网格生成和AMR的组合，可以大大减少网格设计的工作量，因此成为发动机制造商喷雾·燃烧计算的标准工具。

以柴油喷射（ECN Spray A条件）为例。

1. 定压容器气相：900 K、60 bar的氮气氛围

由Sandia国家实验室主导的国际燃烧研究网络。实验条件和测量数据是公开的，被全球用作喷雾·燃烧CFD的验证基准。

先用$B_1$调整液相到达距离，再用$B_0$微调SMD（Sauter平均径）。ECN的Spray A数据对比是标准的标定方法。

有三个原因。(1)自动网格生成，可以从CAD直接开始计算而无需网格设计。(2)AMR自动追踪喷雾·燃烧区域，无需网格调整。(3)SAGE化学反应求解器可以高效处理大规模反应机制（数千反应）。这样可以在一个模拟中完成喷射-微粒化-蒸发-着火-燃烧-排气的全过程。

AVL FIRE也是发动机专用CFD，特别在欧洲汽车制造商中有很强的实绩。喷雾模型、燃烧模型、爆震模型是集成的。

让我看几个方向。

用VOF法直接解析喷嘴附近的液柱分裂，当液滴变小到网格解像限以下时自动转换为DPM粒子的手法。Fluent 2020以后具备该功能，可以用物理上准确的方式计算一次微粒化，而不依赖经验模型。

与AMR结合可以变得现实。将喷嘴附近的VOF区域限制在超高解像度（数μm），下流转换为DPM可以压低计算量。Shinjo & Umemura（2010, 2011）的DNS研究开创了先河，直接捕捉了液柱表面的KH不稳定性、韧带形成、液滴分离的全过程。

火箭发动机的液体氧/氢喷射和超临界CO2喷雾中，超过临界点会使液-气界面消失。用实流体EOS（Peng-Robinson、SRK等）进行的超临界喷射CFD正在活跃研究中。

GDI发动机的高温条件下喷嘴内沸腾的现象。分裂机制与通常的微粒化不同，会产生超微粒化。ECN Spray G的数据库被用于验证。Fluent和STAR-CCM+都配备了Flash Boiling Spray专用模型。

从喷射条件（压力、温度、喷嘴形状）瞬间预测SMD和喷雾角的代理模型正在研究。进行数百个CFD参数扫描研究，用深度学习构建映射关系。在发动机控制图优化中应用前景很好。

让我逐个看。

太短的情况：分裂太快。增大$B_1$（KH分裂时间常数）。

对策：

对策：

对策：