水平壁面上液滴吹离的临界风速

以空气横掠水平壁面上的液滴作为研究对象，确定液滴脱离时的界面形状，给出沿接触线周边接触角的变化关系，在滞后张力模型的基础上，从力平衡出发建立脱落直径的联立方程，讨论液滴脱离直径与来流速度的关系．随来流速度增加，液滴所受表面力和风力均增加，低来流速度下，表面力起主要控制作用，随来流速度增加，风力比表面力增加得快，导致液滴半径越小，被风吹离所需的临界风速越大．液滴脱离的临界风速还与液滴距平板前缘L的距离有关，表现为L越大，液滴被吹离所需的临界风速越大，且液滴半径越大，L影响越显著．     

假塑性流体液滴撞击壁面上的铺展的格子Boltzmann模拟

流体液滴在壁面上的铺展与沉积在工业应用中存在广泛应用,研究非牛顿流体特性对液滴铺展的影响具有重要的实际意义。基于相场法建立了非牛顿幂律流体与牛顿流体的两相流格子Boltzmann模型,引入包括接触角影响的边界条件,模拟了假塑性流体在幂律指数（n）0.5~1.0以及韦伯数（We）5~45时液滴撞击壁面的铺展过程。结果表明：相对于牛顿流体,幂律流体的非牛顿特性会抑制液滴的铺展,且n越小,越有利于液滴沉积。此外,韦伯数越大,液滴越快地达到稳定。     

微米级余弦槽表面疏水性及冷凝传热实验研究

为了研究余弦微槽结构的疏水性和冷凝传热性能,首先制备了不同槽峰高度和槽距的微米级余弦槽结构表面,实验研究了不同结构微槽表面的静态接触角及其对滴状冷凝传热性能的影响,并对冷凝传热过程中液滴在微槽表面合并、脱落过程进行实验研究和热力学分析。结果表明,液滴在微槽表面的疏水性和传热性能都呈现明显的各向异性,横向静态接触角θ⊥明显高于纵向接触角θ∥。同时,冷凝传热过程中竖直纵槽阻碍液滴的横向合并,但其对液滴脱落过程起到极大促进作用,传热性能较光滑表面提高30%~50%,且峰距比越大液滴的脱落半径越小、脱落频率越高,表面传热效率也越高。水平横槽则相反,虽然增大峰距比促进了液滴合并,但却对其脱落过程产生不利影响,导致整体传热性能较纵向槽表面大幅下降,与光滑表面接近。引入表面润湿率对微槽表面的液滴脱落半径进行热力学计算,计算值与实验结果吻合较好,误差在20%以内。     

超疏水表面液滴冻结初期冻结行为传递特性

针对超疏水表面结霜过程中液滴冻结初期"冰桥"导致冻结行为传递的现象,建立液滴与冻结液滴之间的传质模型,揭示超疏水表面液滴冻结初期冻结行为传递的机制。探究冻结行为传递的条件,揭示表面润湿性及表面温度对"冰桥"形成的影响规律。研究结果表明:当液滴与冻结液滴之间的距离小于临界距离时,"冰桥"才可能形成;表面疏水性能越好,液滴分布越稀疏,"冰桥"形成速度越慢,冻结行为越难以传递;表面温度影响液滴表面与冻结液滴表面水蒸气分压力差,水蒸气分压力差越大,"冰桥"形成速度越快。     

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。     

含有机溶剂的水滴在不同固体壁面润湿性的分子动力学

采用分子动力学方法对液滴在固体壁面上的润湿行为进行模拟计算,分析了不同含量溶剂的水滴在硅表面和碳表面的润湿行为,以及液滴在硅表面和碳表面的张力和两者之间相互作用能。结果表明:随着液滴中有机溶剂质量分数的增大,液体的表面张力随之减小,液滴与固体壁面之间的相互作用能增加,接触角随之减小;改变固体表面材料也可改变液滴与固体壁面之间的作用能,亲水表面上液滴与固体壁面之间的相互作用能较大,固体表面对液滴的吸引力较强,使得液滴在表面上的接触角减小,液滴在固体表面的润湿性能液滴增强。温度升高导致表面张力减小,但表面张力变化较小,因此接触角几乎不变。     

超声功率对冷壁面冻结液滴脱除效果的影响

试验研究了超声功率对冷壁面冻结液滴脱除效果的影响,分析了不同超声功率对不同尺寸以及不同冻结时间冻结液滴的脱除能力.试验结果表明,超声振荡可以有效脱除冷表面冻结液滴,且随着超声输入功率从100 W增加到1 000 W,冷壁面冻结液滴脱除概率逐渐增加;冻结液滴粒径越大,超声功率对冻结液滴的脱除效果越显著;冻结时间越长,达到相同脱除概率所需的超声功率越大.通过调整超声功率可使冷表面冻结液滴的脱除概率达到70%.试验结果为超声波除霜功率参数配置提供了依据.     

激光加工凹坑织构对赛龙表面润湿性的影响

为探究凹坑织构对表面润湿性的影响以及表面形貌与润湿性之间的关系,提高水润滑轴承材料表面的润湿性,以赛龙材料为研究对象,使用激光雕刻机在试样表面加工不同凹坑织构.使用接触角测量仪测量表面接触角,运用三维形貌仪和扫描电子显微镜对加工后表面形貌分别进行宏观和微观的测量及表征.选取ISO25178中部分三维参数分析表面形貌与润湿性之间的关系.建立凹坑织构几何模型,基于过渡理论分析凹坑形貌变化对表面接触角的影响机理.研究结果表明:合适的织构设计可以有效提高表面润湿性,减小接触角;织构直径和深度越大,材料表面的接触角越小;ISO25178三维参数体系中峭度、偏斜度与表面润湿性之间有较强的关联性,峭度越小,偏斜度越大,表面润湿性越好;表面接触角余弦值与粗糙度率的变化趋势一致,接触角随粗糙度率增加而降低;通过过渡模型建立了织构参数和接触角之间的函数方程,并通过拟合法对其进行了优化.     

圆形径向梯度表面能材料表面的凝结换热系数

在均质表面上的单个球缺形液滴换热模型和液滴通用尺度分布规律的基础上,结合梯度表面能材料表面上的液滴分布和凝结换热特性,得到了圆形径向梯度表面能材料表面上的滴状凝结换热计算式．在此基础上,研究了壁面过冷度、接触角梯度、工质物性等参数对梯度表面能材料表面滴状凝结换热性能的影响．     

喷淋液滴运动轨迹及有效控制半径的理论模型研究

通过求解单个液滴的动量方程,得到喷淋液滴水平运动速度分量和竖直运动速度分量的理论模型,并在此基础上进一步建立了喷淋有效控制半径的预测模型.实验结果表明,液滴喷出后,其水平运动速度分量很快衰减到零,竖直运动速度分量将渐进于匀速状态.初始喷射角、粒径以及初始速度是影响喷淋液滴运动包络线的决定性因素.初始喷射角越大,液滴的保护半径越大;液滴粒径越大,液滴的保护半径越大;液滴初始速度越大,液滴的保护半径距离越大.当喷头高度高于一定值后,初始速度相同的液滴,其保护半径相同.     

液态法制备复合材料的多组分伪势LBM模拟

采用修正的多组分伪势模型(EFM)模拟了液态法制备金属基复合材料过程中多孔介质内的浸渗过程,研究了黏度比(M)、壁面润湿性、雷诺数(Re)、孔隙率以及不同分形结构对浸渗过程的影响.结果表明:黏度比越大,浸渗饱和度(S)越低、浸渗时间(t)越短,并且M90时,黏度比对饱和度和浸渗时间影响可忽略不计,此时接触角的影响较小; Re越小,浸渗饱和度越高、浸渗时间越长,同时壁面润湿性的影响越大;当入口Re一定时,孔隙率越小,分形多孔的渗透率越低,由于孔隙分布不均,造成流体在局部优先浸渗,导致浸渗时间减少、饱和度降低;对不同的分形多孔介质,壁面润湿性的影响有着明显的差异,对A类(标准分形)和C类(固体骨架偏右)的多孔介质,接触角(θ)越大,饱和度越低、浸渗时间越短;对B(固体骨架偏上)和D类(固体骨架偏左上)分形多孔,随接触角的增大,饱和度和浸渗时间均呈现先增加后减小的趋势,并且在接触角小于90°的区间内出现极值.     

疏水性铝翅片表面的结霜/融霜特性

为了揭示疏水性铝翅片表面特性对结霜/融霜过程的影响规律,构建翅片结霜/融霜实验平台,制备接触角为90°~160°的4组疏水性铝翅片,并对其表面的结霜/融霜特性进行研究。研究结果表明:翅片表面的接触角越大,凝结液滴越晚出现,抗凝结作用越明显。4组翅片表面霜晶形态相似,但霜层高度区别明显,接触角越大,霜层越薄,抑霜效果越好。翅片表面的接触角和接触角滞后对凝结液滴及融霜滞留液滴的形状、尺寸和分布密度具有重要影响。此外,疏水性强的翅片,表面融霜过程快且滞留水少,接触角为160°的表面其滞留水比接触角为98°的表面减少79.82%。因此,采用疏水性强的翅片,有利于减少蒸发滞留水耗热量和时间,从而提高热泵除霜效率。     

微流控芯片通道壁面润湿性对微滴生成的影响

液滴微流控中芯片微通道的壁面润湿性是决定微滴生成的重要因素之一。为研究环烯烃共聚物芯片微通道表面润湿性对通道内微滴生成以及流体流动行为的影响,利用流体体积(volume of fluid, VOF)模型对聚焦流微通道中水和氟油两相流动行为进行数值模拟,并制备了接触角为30°、90°、120°梯度下的芯片微通道壁面开展实验研究,模拟与实验吻合良好。结果表明:在固定物性和结构参数下,壁面润湿性越弱,油包水微滴越容易形成,壁面的减阻特性随之增强,并且壁面的减阻特性导致90°比120°时微滴的生成频率低29.3%,直径增大8.3%;随着润湿性的增强,水相相对于氟油相的界面由凸变凹,30°时芯片生成微滴由油包水变成水包油;随着连续相毛细数(Ca)的升高,壁面润湿性对微滴生成的影响减小。     

剪切气流驱动下微沟槽表面液滴受力分析

通过对剪切气流驱动下液滴在平行微沟槽表面的受力及变形的理论分析,提出了沟槽表面液滴在剪切气流下脱落的力学模型.在卡特皮勒力计算中,分别改进了积分式中固液接触角、接触半径项,采用一个更符合实际物理现象的分段函数表征了积分式中的接触角项;而对于接触半径项,利用椭圆接触线方程导出.在拖拽力的计算中,引入了无滑移边界条件下的剪应力公式简化了已有的拖拽力表达式.利用小型风洞,对所建立的力学模型进行了验证.测量结果表明,液滴脱落所需要的风速随着沟槽尺寸的增大而增大,沟槽方向垂直切向流放置情况下液滴所需要的脱落风速明显大于平行方向放置情况.实验观测结果与理论受力模型具有较好的一致性,表明所建立的力学模型合理有效.     

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。     

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。     

T-型微流控通道中微液滴形成机制的CFD模拟

采用计算流体力学(CFD)方法,对宽型微米级T-型微通道中微液滴形成机制进行了数值模拟。通过与已有文献实验结果的对比,证明了数值模拟的准确性;发现液滴在微通道中的形成过程可分为液滴形成和成长、液滴与分散相的脱离和液滴从通道壁的脱落3个阶段。首次系统分析了通道壁的润湿性对液滴形成的影响,发现当分散相在通道壁上的接触角小于90°时,才能形成微液滴;通道壁越疏分散相,微液滴越容易形成,并且从通道壁上脱离的时间也越短。通过分别改变连续相的黏度、流速以及两相间界面张力,研究了毛细准数Ca对微液滴的形成机制及液滴大小的影响。发现在T-型通道中能形成液滴的范围内,Ca越大,则形成的微液滴体积越小;当Ca大于0.067时,微液滴的直径与连续相Ca的倒数之间存在明显的线性关系。     

竖壁上液滴的脱落直径

以竖直平壁上处于临界状态的液滴为研究对象，重点研究了横掠气流对液滴脱落尺寸的影响．从力平衡出发建立了有关脱落直径的联立方程，并给出无风时脱落直径的解析解．计算结果表明：风速越高，液滴离壁前缘越近，液滴的脱落直径就越小，并且风速越高，脱落直径减小得越快．     

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。     

强润湿性液体起沸状态的实验及理论研究

对浸泡在强润湿性液体中的光滑传热表面的沸腾起始状态进行了实验及理论研究。结果表明,用以起沸的活化胚胎的生成、长大及脱离均是在壁面孔穴内完成的,且沸腾起始对应的孔穴尺寸及最小平衡汽泡半径均随液体与壁面接触角增大和液体温度降低而增大,但都保持在微米量级。最后就各因素对沸腾起始温度的影响进行了机理分析。