小偏移比下气液两相壁面附着射流流动的数值模拟与PIV验证：以D/b=0.2为例

《Advances in Mechanical Engineering》：Numerical modeling and PIV validation of gas-liquid two-phase wall-attachment jet flow with a small offset ratio: A case study at D/b=0.2

　　

研究人员采用粒子图像测速（PIV）技术，在D/b=0.2的小偏移比工况下考察了气液壁面附着流体元件的内部流动特性。在3至5 m3/h流量下观察到稳定壁面附着射流及上游回流区，分析了流量对内部流动结构的影响，并提出壁面附着点判定方法。为进一步理解流动行为，研究人员采用不同湍流模型与两相流模型进行数值模拟，结果表明SST（Shear Stress Transport）湍流模型结合自由液面（free-surface）两相流模型可准确复现气液流动中的壁面附着现象及伴随压差。基于PIV测量，建立了D/b=0.2小偏移比流体元件内两相流数值模型，与实验数据对比显示该模型对附着偏移距离的预测误差在5%以内。所提数值方法为预测主流特性与壁面附着行为及后续参数分析奠定基础。

研究背景与立项依据

壁面附着射流技术在能源工程、化工、航空航天与精密制造中具有重要应用价值。相较于传统稳态射流装置，壁面附着射流装置无需额外运动部件即可产生偏转或振荡射流，可提升喷雾分布均匀性并降低结构复杂度。已有研究将偏移射流的壁面附着现象归因于卷吸诱导压降、压力失衡、回流及近壁流动发展；然而既往工作多基于大偏移比单相理想化构型。在受限小偏移比（D/b=0.2）气液条件下，内部流动结构显著区别于常规偏移射流，经典模型假设不再完全适用，且单纯壁面测压无法定量识别射流轨迹、回流结构、速度分布与附着位置，因此缺乏经专门验证的小偏移比气液壁面附着数值模型。该研究以D/b=0.2流体元件为对象，联合PIV测量与CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）模拟建立并验证数值模型。

关键技术方法

研究人员搭建闭环循环PIV试验台（YAG200-NWL Nd:YAG脉冲激光、630059 POWERVIEW 4MP跨帧CCD相机、INSIGHT 3G处理软件），以有机玻璃成型原型（喷嘴出口直径b=10 mm、偏移距D=2 mm、工作区长度L=60 mm、宽度S=10 mm）为样本，在3、3.5、4、4.5、5 m³/h五组流量下采集50对时序图像获得时均速度场与附着点；数值方面采用ANSYS CFX 2021 R1，构建结构化六面体网格（619,900单元，近壁首层约0.05 mm，壁面y⁺均值22.8），比选k-ε与SST湍流模型及Euler-Euler框架下的颗粒模型与自由液面模型，最终选用SST+自由液面VOF（Volume of Fluid，体积分数法）组合，以水为连续相、空气为0 Pa相对压力入口，进行等温不可压缩牛顿流体模拟。

研究结果

PIV测试

绝对速度分布显示最高主流速度位于通道中上游，随流量增大最大流速上升、主流向下游减速并趋近附着侧壁；流线图揭示上游右侧存在明显回流涡区。提取各横截面最大速度点连线得到主流中心线，据此判定壁面附着点位置，4 m³/h下中心线前段曲率小、入口底部迹线逼近附着点流线。

数值模型与计算方法

控制方程采用连续方程、RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，雷诺平均纳维-斯托克斯）动量方程及相体积分数输运方程，混合物密度与动力粘度按水、空气体积分数α_w、α_a线性加权。网格无关性以出口面积平均静压为判据，619,900单元后偏差±0.6%内。边界条件为底部右侧质量流量进水口、中部空气口0 Pa、出口延长10倍湿周设为自由出流，初始场用Step()函数按水位h=2 mm划分水/空气区。

湍流与两相模型比选

喷嘴出口Re=1.19×10⁵~1.98×10⁵属湍流；k-ε模型未预测出明显低压区故无附着，SST模型在附着壁侧形成清晰低压区并驱动偏转。两相模型中颗粒模型在附着区气液界面不连续、少量气体渗入主流，自由液面模型界面连续，故选定SST+自由液面。

模拟结果分析

五组流量下CFD流线与PIV趋势一致：主流速度随流量增大、射流进工作区后向附着壁偏转并形成稳定附着；高速射流核卷吸致附着壁近壁低压、对侧发育回流区，非对称压力场维持附着。4 m³/h横截面速度分布中CFD峰值略高于PIV，源于实验管路水力损失与近壁光学畸变。附着距离比CFD与PIV相对误差全程<5%。

讨论与结论翻译

讨论指出：D/b=0.2构型附着点对进口条件、近壁压力与局部回流高度敏感，制造偏差、管路损失及PIV近壁畸变共同造成微小差异；SST自由液面组合因能复现近壁压差、射流偏转、回流与界面而被保留。结论部分表明——（1）PIV证实3~5 m³/h下形成稳定壁面附着射流，流量增大使最大速度升高、主流趋近附着壁，可由主流中心线判定附着点；（2）SST湍流模型耦合自由液面两相模型最契合D/b=0.2气液壁面附着流，优于其余被测模型组合；（3）CFD在速度分布、射流轨迹、回流结构及附着距离上与PIV一致，附着距相对误差<5%，可合理预测内部主流特性与附着位置。该研究发表于《Advances in Mechanical Engineering》，验证范围限于D/b=0.2、3~5 m³/h等温气液流，温度效应、气泡破碎、液滴生成及强界面变形留待后续。