圆形层流射流颗粒沉积模式的数值研究

本文利用在OpenFOAM$^{\circledR}$ CFD软件包框架内实现的拉格朗日求解器，对具有圆形层流射流的惯性撞击器平板上的颗粒沉积模式进行了数值研究。评估了喷嘴通道锥角和射流-平板距离的影响。结果表明，与直喷嘴相比，锥形喷嘴倾向于将更多颗粒沉积到圆形沉积斑边缘。在射流雷诺数$Re = 1132$时，锥形喷嘴沉积的颗粒会形成在沉积斑边缘附近具有高密度环的模式，尤其对于颗粒斯托克斯数$St > St_{50}$的情况，而直喷嘴则不会出现此现象。增加射流-平板距离倾向于降低沉积斑边缘附近的颗粒密度峰值。将$Re$降至$283$（例如，对于通过直径$1.5$ mm射流喷嘴的$300$ ccm流量），当使用相同的锥形喷嘴时，产生的颗粒沉积模式在沉积斑边缘没有高密度环。在$Re = 283$时使用直喷嘴的颗粒沉积模式显示，沉积斑边缘周围的颗粒密度进一步降低，使得颗粒密度分布大致类似于高斯函数。总的来说，降低$Re$对颗粒沉积模式的影响似乎与增加射流-平板距离相似。计算得到的颗粒沉积效率$\eta$表明，射流轴线附近具有极小$St$值的非常细小的颗粒总是会撞击平板中心，这表明$\eta$的值并不会随着$St$的大幅减小而趋近于零。这种“小颗粒污染”在$Re \sim 1000$时通常占小颗粒（$\sqrt{St} < 0.1$）的$\sim 10\%$，在$Re \sim 300$时占$\sim 5\%$，这在惯性撞击器测量数据分析中可能不可忽略。