基于界面追踪法的Kelvin-Helmholtz不稳定性直接数值模拟

过海龙，张 莹，李文彬，李培生

(南昌大学 机电工程学院，南昌 330000)

0 概述

随着国民经济的快速发展，国家对生态环境的保护也越来越重视，对汽车尾气排放的管控也越发严格，高效低污染的汽油机或柴油机成为内燃机目前发展的主要趋势。其中高压燃油喷射雾化技术对降低燃烧阶段缸内颗粒物生成量是一种十分有效且重要的手段。在燃油喷射雾化[1]的过程中经常涉及到一种重要的流体动力学不稳定性：开尔文-亥姆霍兹不稳定性(Kelvin-Helmholtz instability， KHI)。文献[2-3]中使用开尔文亥姆霍兹-瑞丽泰勒(Kelvin-Helmholtz and Rayleigh-Taylor, KH-RT)模型研究了燃油射流雾化的过程，雾化过程可大致分为液体尚未分裂和分裂后形成液滴最终雾化两步，这两步均会影响喷雾最终的形态，从而影响内燃机后期的燃烧过程。本文在K-H模型中研究射流尚未分裂时的运动，通过波高和线性增长率来研究液体尚未分裂的运动，为进一步研究液体的雾化过程提供一定理论基础。

KHI的数值研究[4]一直是计算流体力学的经典问题，其中相应的数值研究方法包括线性区域和非线性区域。一般而言，用于研究线性稳定性和非线性稳定性的方法主要包括数值模拟、试验分析及理论研究。其中，文献[4]中通过试验对KHI的非线性增长进行了探索，结果显示很难通过试验对KHI的非线性增长进行研究。文献[5]中对相关线性稳定性进行了解析研究。文献[6]中使用涡流模型研究KHI，研究发现KHI在后期会产生二次不稳定性。目前数值模拟已成为KHI数值研究中最常用的一类方法。……