单液滴碰撞不同尺寸等温壁面过程

应用基于VOF的界面跟踪方法分析了单液滴碰撞不同尺寸等温固体壁面时铺展、回缩或延伸至壁外形成液膜、液膜破碎等过程的动力学行为.通过与文献中液滴在壁面上铺展直径随时间变化的试验对比,证实了模型的可靠性.通过改变We数、Re数及壁面宽度,考查了初始液滴碰撞动能、表面能及固体壁面尺度对液滴碰壁现象的影响,计算结果表明:当壁面...     

单液滴撞击高温钢板表面铺展特性实验研究

对液滴撞击高温钢板表面铺展特性进行了实验研究。应用压电式共振腔均匀液滴发生器产生不同粒径不同速度的液滴,撞击400℃的高温不锈钢钢板表面,其中液滴工质为去离子水,撞击表面为2520不锈钢。用高速摄像机及IPP软件进行拍摄及图像处理。实验结果表明:相同韦伯数(We)下,液滴速度对铺展因素的影响大于液滴粒径,随着We增大液滴最大铺展因素增加。液滴撞击过程中We=39.3时液滴处于临界破碎状态。液滴撞击高温固体表面最大铺展因子大于撞击干燥常温固体表面。并且计算得出We与最大铺展因子的关系式。     

液滴撞击固体表面过程的实验研究

对液滴撞击固体表面的过程进行实验研究,考察液滴的物性和操作条件对撞击过程的影响,结果表明：随着液滴黏度的增加、或表面张力系数的增大、或撞击速度的减小,液滴的铺展直径、铺展速度和铺展面积均减小;液滴的能量在黏性中的耗散主要发生在撞击的初始阶段,随着液滴黏度的增加、或表面张力系数的减小、或撞击速度的增大,黏性耗散的速率均增加。本文得到的关于液滴雷诺数和韦伯数的关联式可用于预测液滴的最大铺展直径和最大铺展面积。     

动态接触角对微米液滴冲击平板的影响

针对喷雾冷却,应用VOF(volume of fluid)模型,使用静态接触角、实验动态接触角、Kistler模型和Blake模型4种方法来处理动态接触角,模拟了单个μm量级的液滴冲击未加热平板的流动情况,并分析了液滴参数对铺展的影响。结果发现:采用Blake模型模拟的结果与已有的实验结果符合得最好;模拟中根据铺展速度直接计算出并作为条件赋值的角度并不一定等于视在接触角;液滴自触壁起依次受惯性力、粘性力和表面张力主导;We数越大,最大铺展直径越大,惯性力起主导作用的时间越长,液滴达到最大铺展、发生回弹的时间越晚,液滴铺展的特征时间越小于液滴演化的特征时间;粘性力对小液滴所起的作用较大,表面张力对大液滴所起的作用较大;μm量级的液滴反弹并不剧烈,与mm量级的液滴有很大区别。     

胀流型非牛顿幂律流体液滴铺展特性研究

为了研究胀流型非牛顿幂律流体液滴的铺展特性,我们利用广义Navier边界条件替代无滑移边界条件,对固体表面上薄液膜的一维简化模型采用润滑近似,构造了相似解法,采用数值方法计算了胀流型非牛顿幂律流体液滴的铺展速率、接触角和轮廓高度,得出了铺展半径、接触角和幂律指数的相关关系.     

液滴撞击不同粗糙度固体表面动力学行为实验研究

针对液滴撞击固体表面时动力学行为的不同影响因素,利用高速摄像技术捕捉了4种物性不同的液滴,即癸烷、十四烷、蒸馏水和无水乙醇液滴撞击不同粗糙度固体表面后的铺展与飞溅形态。探究了黏度、表面张力与实验壁面粗糙度对液滴撞击壁面后的最大铺展因数和铺展-飞溅临界韦伯数的影响。结果表明:实验流体的动力黏度越大,液滴在铺展过程中受到的阻力越大,也就越不容易铺展,相同韦伯数下的最大铺展因数越小;表面张力越大,液滴碰壁后更有可能发生回缩。在实验过程中也观察到,只有表面张力明显大于其他工质的蒸馏水液滴在碰壁后发生了回缩。壁面越粗糙,液滴在铺展过程中需要润湿越大面积的壁面,增加了黏性耗散,且受到的阻力也更大,相同韦伯数的液滴碰壁后的最大铺展因数也越小。对Laan的公式进行了粗糙度的补充,得到了最大铺展因数与韦伯数、雷诺数及粗糙度的关系。壁面粗糙度对液滴铺展后的边缘造成扰动,使液滴更容易发生飞溅,铺展-飞溅的临界韦伯数随着壁面粗糙度的增加而减小,且壁面粗糙度对小奥内佐格数流体的临界韦伯数影响更大。     

机载条件下单液滴撞击热固壁面相变特性

为了获得机载工况下液滴换热特性和相变过程,基于耦合的体积分数法（CLSVOF）,研究不同撞击角度和不同加速度情况下R1234yf撞击壁面的铺展和传热行为。结果表明：当撞击角或加速度较小时,液滴在铺展过程中出现回缩现象,且液滴边缘会出现润浸现象,热流密度较高;液滴铺展速度和直径也随撞击角的增大呈先增大后减小的趋势。发生Leidenfrost现象时刻对应的壁面热流密度在降低,说明撞击角对液滴与壁面的换热影响较大,且其值越小则液滴与壁面之间的换热越明显。液滴铺展速度和直径随飞机加速度的减小呈减小趋势,发生Leidenfrost现象时刻对应的壁面热流密度在降低,说明加速度的增大导致换热被削弱。     

液滴在化学异构表面上侧向弹跳的计算机模拟研究

液滴撞击润湿性不同的表面会产生不同的动态行为,数值模拟是研究该现象的一种有效方法。采用基于化学势的晶格Boltzmann方法,通过调整接触角来改变固体表面的润湿性,对液滴撞击单一接触角的疏水表面以及接触角分布不同的疏水表面所产生的动态行为进行模拟和分析。当给疏水表面施加单一接触角时,液滴的弹跳高度随表面接触角的增大而增大,并且当接触角增大到160°时会产生二次弹跳现象,大于170°时产生多次弹跳现象;当给疏水表面施加分布不同的接触角时,根据表面接触角设置方法的不同,所产生的液滴弹跳现象会有相应的差异。结果表明,当液滴撞击2种接触角交界处时,液滴总是向接触角小的一方侧向弹跳,其弹跳高度和距离取决于2种接触角的差值,并给出了该差值分别与弹跳高度和距离的基本关系。这种特性对实现有效控制液滴动态行为十分有帮助,可广泛应用于自清洁、喷墨打印等领域。     

荷电液滴撞击织物表面铺展特性的试验

基于显微高速摄像技术对荷电液滴撞击多孔织物后的铺展行为进行了可视化研究,并结合图像后处理技术获得了液滴撞击多孔织物表面后液滴表面张力、荷电电压以及初始速度等参数对液滴在织物表面的铺展因子随时间变化的影响规律.结果表明:液滴撞击织物表面后的最大铺展因子和铺展速率都随着液滴撞击初始速度或者表面活性剂质量分数的增大而增大;随着荷电电压的增大,液滴最大铺展因子总体呈增大趋势;撞击初始速度增大后,液滴在织物表面的最大铺展因子会在液滴荷电电压为4 kV时达到最大值,并且当速度增大到一定值时,荷电液滴会产生破碎.     

微米级液滴撞击低温球形颗粒的涂覆冻结

对微米级液滴撞击低温球形表面的动态行为进行了可视化实验.研究了液滴直径、球面温度等因素对微米级液滴撞击过程的影响及液滴撞击直径3 mm和5 mm金属钢球的冻结过程.当实验球面温度分别为–20℃和–30℃时,液滴撞击低温金属钢球表面时液滴铺展后迅速回缩成塔形状然后缓慢的铺展直至稳定状态,与常温状态下相比,液滴形态没有明显的振荡过程.结果表明:撞击速度越大,液滴具有的初始动能越大,液膜最大铺展弧长越大.随着载体颗粒直径的增加,液膜最大铺展弧长也随之增加,液膜的厚度却随载体颗粒直径的增加而减小;随着液滴直径的增加,液膜铺展弧长及液膜厚度都随之增加.通过实验数据统计分析可知,环境温度的显著水平最高,然后依次为液滴直径、载体颗粒直径.     

撞击液滴形成的液膜边缘特性

以旋风分离器内液滴撞击筒壁为研究背景,探讨了撞击形成的液膜边缘特性,考察了韦伯数(We)、撞击速度、初始液滴直径对液膜边缘形成的指形液滴和卫星液滴的影响.结果发现:不同We数下,最大液膜直径形成的指形液滴体积分布集中在0.2～0.6,近似于高斯分布;随着We数的增加,大体积卫星液滴出现的几率也随之增大;且卫星液滴的体积随着初始液滴直径和初始撞击速度的增大而增大;另外,在同一铺展过程中,边缘液滴、指形液滴和卫星液滴三者的数量呈依次递减的关系.     

木棉纤维表面吸附特性

利用OCA15EC光学接触角测量仪测试了不同特性液体(如色拉油、废油、机油)在木棉纤维上的静态接触角和动态接触角,研究表明:木棉纤维是一种优良的疏水亲油性纤维,对水的静态接触角为135.89°,对各种油液的静态接触角均小于60°,水在木棉纤维表面能够形成完整的液滴接触角并不随时间变化,而不同油液在木棉纤维表面瞬间铺展,尽管因油液不同铺展速度略有差异,但总体规律类似.木棉纤维对各种液体的吸附特性主要取决于纤维表面蜡质和木棉纤维的大中腔结构,同时也与测试液体特性密切相关.     

单液滴撞击球形表面的涂覆效果

液滴与球形表面的碰撞为喷雾包衣等工程应用的基础．以单液滴与球形光滑表面为研究对象,采用高速相机,分析了在液滴不同撞击速度（0．88～4．43m／s）和不同直径的球面（5～15mm）实验条件下涂覆率的变化．研究了液滴与球面发生碰撞时发生的铺展震荡、涂覆球面、破碎飞溅现象．最后,建立了K值、球面直径与碰撞现象之间的关系图,为理论分析和数值模拟提供依据．     

剪切流作用下三维液滴变形的相场法数值模拟

液滴动力学在工业和自然科学领域有着广泛的应用和科研价值,其中最为典型的代表便是剪切流作用下的液滴变形特性。针对剪切流作用下三维液滴变形的动力学特性,利用相场方法进行了数值模拟。为了准确地描述表面张力作用下的两相不可压缩流动,采用了改进的Navier-Stokes-Cahn-Hilliard方程组,表面张力项和浓度对流项被添加于方程中来实现Navier-Stokes方程与Cahn-Hilliard方程的耦合;在数值求解方面,Chorin的投影方法被用于求解Navier-Stokes方程,并且Eyre的非条件稳定方法被用于求解CahnHilliard方程。数值模拟结果表明小Weber数条件下液滴更快达到稳定形态并且会随流动产生回转运动,更大的Weber数使得液滴呈现持续拉长变形。相同Weber数条件下,较大的Reynolds数会使液滴产生明显回转运动趋势。此外,液滴的变形程度也受到计算域上下边界的位置和速度的影响,边界距离液滴越近或者边界速度越大,液滴的变形程度越大。     

水滴撞击固体表面实验研究

为了研究水滴撞击固体表面的影响因素,利用高速摄影仪记录了水滴撞击不同固体表面的形态变化过程,记录速度为2000f/s.实验是在常温大气环境中进行的,水滴的初始直径固定在(1.8±0.05)mm.对不同材料和不同表面粗糙度的固体表面以及不同撞击角度进行了实验观察,并采用图像处理技术获得不同条件对液滴撞击固体表面行为的影响.实验结果表明:不同固体表面、不同表面粗糙度和撞击角度对液滴撞击固体表面后的润湿行为有非常显著的影响.随着We由50增大到300,液滴撞击在非润湿性表面上会出现部分反弹、反弹甚至飞溅现象;相同固体表面的表面粗糙度增大使撞击过程的接触角变小.     

溴化锂溶液在亲水水平圆管表面降膜流动的数值模拟

为了研究润湿性对水平管外降膜流动性能的影响,基于有限元法建立二维两相流模型,模拟了溴化锂水溶液在水平圆管外亲水表面不同润湿性(静态接触角0°~60°)的降膜流动过程;探究了液体在不同润湿性的水平圆管外壁铺展成膜的瞬态特性;分析了稳定后液膜厚度和液膜表面速度的分布特征.结果表明:当水平管外壁润湿性降低或静态接触角增加时,液体在水平管外铺展成膜所需的时间增加,液膜最前端液体的堆积量增大;达到稳定状态后液膜厚度沿周向呈先减小后增大,液膜速度沿周向呈先增大后减小的变化趋势;液膜最小厚度或最大速度位于周向角120°左右;根据液膜厚度沿周向角分布模拟值与实验数据的比较结果,对Nusselt液膜厚度表达式进行了修正.     

雨滴对降落伞织物垂直冲击的实验研究

为了研究多雨环境对降落伞开伞的影响机理,设计了液滴对降落伞织物垂直冲击的实验装置。依据降雨谱选择有代表性大小的液滴,由雨滴和降落伞的稳降速度确定了液滴的冲击速度范围在0.77~2.42 m/s之间,利用高速摄像机记录液滴对织物垂直冲击的动态过程,分析了液滴在织物表面的铺展特性。实验结果表明:当液滴冲击速度提高150%和214%时,反映液滴铺展特性的平均最大铺展因子分别增大64%和68%。此外,提高织物的预紧张力可以有效减弱液滴对织物冲击所造成的振动影响。     

液滴与水平壁面碰撞力的数值研究

为探究叶轮机械内部液滴与固壁之间碰撞引起的壁面磨损破坏的机理,采用流体体积方法,数值研究液滴直径、碰撞速度和液滴与壁面之间的接触角对液滴与壁面碰撞的瞬态碰撞力发展变化的影响。研究结果表明,液滴与壁面之间的接触角对液滴碰撞过程中的碰撞力几乎没有影响,但对于不同雷诺数和韦伯数下的液滴,其与静止壁面的碰撞力按液滴直径的2.118次方和速度的1.761次方正则化后,碰撞力的无量纲时间曲线基本重合,且碰撞力峰值出现的无量纲时刻为0.26,即同样直径的液滴,碰撞速度越大,到达碰撞力峰值所用时间越短,对同样速度的液滴,液滴直径越大,则液滴到达碰撞力峰值所用时间越长。     

液滴撞击过冷壁面的结冰特性实验研究

为了研究液滴动态铺展特性以及冻结行为和机理,基于可视化实验平台,探究了壁面温度对液滴动态结冰过程的影响,分析了铺展直径随时间的变化规律和不同冰型形成的物理机制。实验中采用亲水硅片以及较大的撞击速度增加换热面积,同时采用较低的壁面温度强化液体与冷板之间的换热过程。结果表明,壁温降低导致液滴黏性耗散增加,液滴最大铺展直径略有减小,但壁面温度对于动态铺展阶段的影响不大;壁面温度对结冰过程的影响十分显著,不同的壁面过冷度可产生不同结冰形态;当壁面温度相对较高时,液滴呈现中间成尖结冰形态,壁面温度较低时,出现了一种新的内凹环状结冰形态,后者的形成是由于触发了液膜内部结冰,从而导致液膜内出现冻结锋面,且该锋面同时向外、向上发展。另外,本研究提出了无量纲导热因子以反映壁面导热性能的影响,通过结合无量纲导热因子和韦伯数的影响,揭示了不同冰型产生的条件,为控制结冰形态提供了新的策略。     

非均质表面诱导液滴脱落的数值模拟

采用伪势格子玻尔兹曼方法 (LBM)多相流模型对均质表面上液滴脱落临界直径与壁面润湿性的关系以及非均质表面上液滴聚合脱落现象进行了研究,分析了液滴尺寸、壁面润湿性的差异、液滴半径比对非均质表面液滴聚合脱落的影响。结果表明:非均质表面在一定程度上可以诱导相应尺寸大小的液滴聚合并脱落,可通过增大中间区域的接触角来扩大非均质表面诱导聚合脱落液滴的尺寸范围;非均质表面接触角差值越大,液滴聚合速度越快,同时液滴在壁面上的铺展能力越强,液滴纵向振荡幅度越小;在一定范围内,液滴半径比越大,两液滴的内部压力差越大,融合速度越快,液滴可获得额外的动能并从壁面上脱落。