湿润转变对超疏水表面上撞击液滴结冰影响的研究进展及展望

表面超疏水性是液滴撞击固体表面反弹的基础,利用超疏水表面的液滴反弹特性可从源头上抑制撞击液滴结冰,但湿润转变的发生会使表面的超疏水性失效.本文重点关注湿润转变对超疏水表面上撞击液滴结冰的影响.首先,分别从湿润转变对表面上撞击液滴动力学行为的影响、湿润转变对撞击液滴结冰形式的影响和撞击液滴湿润转变遵循的能量路径及转变机理3个方面梳理当前研究现状.然后,在总结上述研究现状的基础上,对通过表面微结构拓扑设计,实现抑制Cassie-Wenzel不可逆湿润转变,促进Cassie-Wenzel-Cassie可逆湿润转变,以此强化超疏水表面的液滴反弹特性进而抑制撞击液滴结冰的新思路进行了展望.     

流场中复杂液滴的变形运动与吸附

液滴动力学是多相流热物理学的重要基础研究方向.随着科学研究的逐步深入和工业技术的不断发展,人们发现液滴的界面可由多种物质分子组成且可出现复杂的结构,如石油工程中表面活性剂、固体颗粒等物质吸附于油水液滴界面,细胞等生物液滴由具有复杂分子组成和结构的膜包裹等.研究发现复杂的分子组成和结构使液滴界面具有剪切弹性、面积扩张弹性、抗弯特性等显著不同于普通液滴表面张力的力学性质,而复杂的界面力与流场黏性力、壁面物理化学吸附力等相互耦合导致液滴在流场中展现复杂的变形、运动、吸附等动力学行为.本文介绍了复杂液滴界面的力学性质及其模型描述,综述了近年来关于流场中复杂界面液滴的变形、运动、吸附行为的研究进展,并给出了后续研究的建议.     

超疏水表面微液滴的电致振动

微流体控制技术在生物、化学、微机械等领域具有广阔的应用前景.微液滴作为微流体的一种表现形式,其运动形态与控制技术已经成为最热门的研究领域之一.本文以铜基十四酸铜表面(具有二级粗糙结构的超疏水表面)为基底,首先研究了微液滴在直流电场下的电湿润现象,其次研究了交流电场下微液滴的电致振动特性,然后讨论并分析了外加电场频率、电压幅值、液滴体积等因素对液滴振动特性的影响.     

电场作用下电流变液滴的变形及力学行为

外加电场作用下的液滴变形及力学行为是电流体动力学研究的重要内容.基于volume-of-fluid(VOF)方法,将电场力作为源项添加到流体运动的Navier-Stokes方程中,提出了电流体流场与电场双向耦合的数值方法,分别研究了外加均匀电场与非均匀电场作用下,中性漏电液滴和带电液滴的变形/运动及其力学行为.小变形条件下,数值模拟得到的外加均匀电场中性漏电液滴的变形系数接近于理论值,验证了本文方法的正确性.研究结果表明,电场作用下液滴与周围介质物理属性的差异导致液滴表面不同的自由电荷再分配形式及其变形状态;相对于电场方向,中性漏电液滴可能会发生"扁长型"或"扁平型"变形.均匀电场下,中性漏电液滴内部形成稳定的回转运动,液滴不会发生宏观运动;对于存在净电荷的液滴,由于库仑力的作用,液滴不仅会发生变形,同时也会沿电场线方向运动.非均匀电场下,中性漏电液滴与带电液滴都会沿电场线运动,并发生不同的变形.本文所提出电流体流场与电场双向耦合的数值方法为静电喷雾、电泳等复杂的工程电流体动力学研究提供了理论基础.     

线性剪切流中弹性界面液滴变形的惯性作用

弹性界面液滴(由弹性界面包裹而成的液滴)在流场中的变形等动力学行为是深入理解液滴群悬浮液流变特性以及发展基于液滴的物质输送技术的重要基础.流体惯性、液滴界面弹性、流体黏性等力学作用相互耦合,共同控制弹性界面液滴的动力学行为.已有文献以Stokes流假设进行简化,集中研究了忽略流体惯性条件下弹性界面液滴的变形动力学行为.本文结合Front Tracking Method和Finite Element Method,在传统两相流模拟方法中引入薄膜弹性力学理论,发展了能同时考虑液滴界面弹性和流体惯性的两相流数值模拟方法,研究了颗粒雷诺数(Re)对线性剪切流中弹性界面液滴变形动力学行为的影响.结果表明:雷诺数较高时,弹性界面液滴的瞬态变形出现振荡,且随雷诺数增大,变形振荡的幅值和周期都增大,液滴瞬态变形时间变长;随雷诺数增大,液滴的最大变形和稳态变形均增大,且液滴形状也有显著变化.由此可见,在Re1的条件下,流体惯性对弹性界面液滴变形动力学行为的影响不可忽略.     

分子动力学模拟亲水性纳米窄缝中的聚乙烯分子

采用分子动力学模拟了两亲水性壁面间的聚乙烯分子水溶液. 壁面间距(1.26~ 3.15 nm)与聚乙烯分子的特征尺寸相当, 随间距减小可以观察到聚乙烯分子构象从三维结构向二维结构的转变. 同非受限状态相比, 强受限情况下, 化学键取向呈规则变化, 亚甲基分层排布且沿垂直于壁面方向上的扩散运动显著降低. 从热力学角度看, 水分子运动空间增大对聚乙烯分子的构象熵减小做出补偿, 以使体系自由能降低.     

基于界面追踪的黏弹性流体微观流动模拟

特高含水期后期,地层剩余油主要以油膜、盲端残余油等形态存在,水驱开发效果变差,采用黏弹性流体驱替是当前提高采收率的有效方法.为探索黏弹性流体驱替残余油的水动力学机理,基于N-S方程模拟黏弹性流体在微孔道内流动.采用Oldroyd-B本构方程描述流体的黏弹性,运用相场方法实时追踪驱替过程中两相界面.分别研究壁面油膜在黏弹性流体驱替下的运动和变形,黏弹性流体对盲端残余油的驱替效果,并分析残余油微观受力状况.采用有限元方法对模型进行求解,并验证模型与求解的正确性.研究结果表明:黏弹性流体可以有效驱动壁面油膜运动,相同注入流量下,黏弹性流体作用于壁面油膜上的水平应力差远大于水;作用于油膜上的法向应力分布不均匀导致油膜发生较大变形.同时黏弹性流体在盲端内的波及边界更深,有利于引发盲端残余油的运动,提高残余油采收率.黏弹性流体驱替对水湿油藏开发增产效果更明显.该研究初步揭示了黏弹性流体驱替残余油的水动力机理,为油田三次采油提供有效指导.     

基于格子Boltzmann方法的液滴撞击粗糙壁面上液膜过程的数值

采用格子Boltzmann方法对液滴撞击粗糙壁面上液膜的过程进行了研究,主要考察了相对液膜厚度h、相对凹槽宽度d*、相对凹槽深度L*等物理参数对界面运动过程的影响.首先,当h较小时,由液滴溅起形成的水花半径r随时间满足r/2R≈αUt/2R1/2的关系,且随着相对液膜厚度h的增大,系数a变小,但当h较大时,该关系式不能很好地描述水花半径的增长过程,且水花的飞溅现象消失.其次,相对凹槽宽度d*对水花的形成及飞溅也会产生重要影响,当d*较小时,随着d*的增大,系数a先减小再增大,当d*8时凹槽宽度的增加对水花半径的变化影响较小.最后,相对凹槽深度L*对水花的形成影响较小,但对水花的飞溅现象影响较大.     

气固两相交叉射流相间传热的LBE-DEM模拟

采用格子波尔兹曼/离散元(LBE-DEM)耦合方法模拟气固两相交叉射流相间传热,重点考察了流体和颗粒之间的热量双向耦合及其对两相传热过程的影响.流场雷诺数Re=1000,在相同颗粒数目下选取了10,25,50三种Stokes数.研究分析了气固多相交叉射流中气相温度分布,颗粒群分布形态特性以及相间的双向耦合传热特性及其影响因素.研究发现交叉射流两相传热过程在撞击前期和后期分别受两相平均温差和两相换热系数的主导,而其主导因素的转换与颗粒动态响应特性有关.     

溶解润湿动力学的物理力学

溶解润湿涉及润湿、扩散及对流多个复杂的物理过程.本文采用物理力学方法研究了溶解润湿的动态过程,分析了溶质粒子进入液体内部对于液滴铺展、溶剂结构以及液滴内部流场造成的影响,结合理论得到了溶解润湿过程中的标度律.研究结果表明在液滴铺展前期界面张力驱动占主导,标度关系满足Tanner律.随着溶解的进行,溶质粒子进入液滴内部一方面造成溶剂分子结构的变化,另一方面浓度梯度的存在加快了液滴的铺展速度并改变了液滴内部的流场,且液滴内部流场中有无对流对于液滴铺展标度律会产生显著的影响.因此,溶解润湿对于液滴的内部结构、流场及铺展过程都会产生重要的影响,其研究对于理解、控制和优化涉及溶解润湿的实际问题具有十分重要的意义.     

微管道中压力驱动液体流动的边界速度滑移

微通道中气体流动的速度滑移现象已经获得普遍共识. 对于宏观流道中压力驱动的液体流动, 常常忽略其中的速度滑移. 但当流道的截面尺度减小时, 速度滑移对流动和传热的影响越来越显著. 基于Hamaker均质材料的假设, 建立了液体微团与固体壁面作用力的计算方法. 由近壁面流体微团的受力分析可知, 粗糙壁面对近壁面流体微团的作用力可以抵抗来自上层微团的剪切力, 从而保持近壁面液体微团的静止, 进而提出了液体微团速度滑移的判定准则. 根据发生滑移的液体微团上的受力平衡关系, 可以确定液体微团所受的壁面摩擦力, 再根据推导得到的壁面处液体摩擦系数的计算方法, 可确定液体微团的滑移速度量. 研究表明, 微管道中的压力梯度较大时, 壁面边界处速度滑移可能发生, 若忽略滑移速度则会给管内流量的计算造成误差.     

不锈钢板冷弯成型及回弹数值模拟中壳单元选用的影响

基于不锈钢板冷弯成型和回弹过程的数值模拟,研究了Belyrschko-tsay壳单元和Betytschko-Wong-Chiang壳单元对不锈钢板冷弯成型的模拟影响.比较模拟结果与试验值,表明Belytschko-Wong-Chiang壳单元较适用于不锈钢板的冷弯成型模拟.     

Stockmayer流体气液相图的计算机模拟

提出粒子交换分子动力学模拟方法(particle exchange molecular dynamics, PEMD), 可以用来得到各种流体气液平衡相图. PEMD中有两个相互耦合的模拟箱, 具有恒定总粒子数、总体积, 粒子在两个模拟箱的转移由两箱粒子化学势之差驱动. 最终两个模拟箱拥有相同压强、温度及粒子化学势, 从而实现热力学平衡. 进而利用PEMD研究了极性Stockmayer流体的气液相平衡. 讨论了极性变化对相图的影响, 预测了临界点. 与Gibbs Ensemble Monte Carlo结果相比较, 发现两者符合得很好.     

金属液体射流变形的光滑粒子流体动力学模拟

采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)模拟液体射流与刚性表面的碰撞, 建立了半径为0.24 cm, 高为0.75 cm的圆柱形铝液滴以100 m/s的速度与刚性表面发生碰撞的SPH计算模型. 在计算中借助Voronoi多边形分配粒子的初始质量, 并考虑了大变形过程中随着粒子相互间距离的变化而采用可变光滑半径. 根据计算结果分析了碰撞过程中圆柱形液滴沿轴向的压力波形演化特征, 并给出了不同时刻金属液体射流的变形情况. 通过粒子速度随时间的变化曲线, 观察到液体在碰撞后首先进入一个稳定流动的过程, 此稳定流动的过程相对较短, 随后流动开始发生混乱.     

规则波在岛礁地形上传播的SPH模拟

结合周期性边界条件、水流循环技术以及动量源造波方法,本文建立了一个基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamic,SPH)方法的二维无反射数值波浪水槽,模拟了波浪在深海台礁上的传播变形过程,分析了该地形上波高和增水的沿程变化,并与物理模型试验结果进行了对比.结果表明,该数值模型可以较准确地模拟深海台礁上的波浪破碎和增水过程以及礁坪上波高和波浪增水的空间分布特征;在水槽左右两侧采用周期性边界条件和预留水流循环通道,能够有效解决竖向二维数值模型中由于礁坪上波生流引起的潟湖内水面的非物理性雍高及进而导致的礁坪上增水偏大的问题.     

多相格子Boltzmann方法及其在相变传热中的应用

经过30余年的发展,格子Boltzmann方法已成为一种非常有效的数值模拟方法.该方法是介于微观分子动力学模拟方法和基于连续介质假设的宏观数值模拟方法之间的一种介观数值模拟方法.与传统数值模拟方法不同,格子Boltzmann方法基于气体动理论,具有清晰的物理背景和粒子图像,能够非常方便地从底层刻画流体内部的相互作用,因而对多相多组分等复杂流体系统的模拟具有很大优势.近年来,该方法被应用到沸腾及冷凝相变传热的研究中,体现出了一定的优势与特色.与VOF, Level Set等界面跟踪或界面捕捉方法相比,格子Boltzmann方法中的气液界面可以自动产生、演化与迁移,无须采用任何界面跟踪或界面捕捉技术.此外,在相变传热的研究中,气泡或液滴可以自动成核,无须布置种子气泡或种子液滴.本文总结了近些年多相格子Boltzmann方法的发展,并结合作者的研究工作,重点评述了伪势多相格子Boltzmann模型的研究进展及其在沸腾与冷凝相变传热中的应用.     

模拟运动流体中柔性体耦合振动的数值方法

介绍了一种模拟流体诱发柔性体运动的数值方法. 该方法采用二维面元法计算流体作用力, 用模态叠加法求解欧拉梁的运动控制方程, 通过迭代来求解流固耦合问题. 利用该方法模拟了单个以及两个并行、串行排列的柔性梁在运动流体中的耦合运动. 计算结果表明, 均匀来流中单个柔性梁的稳定边界和流体诱发振动都与前人结果一致. 对于两并行排列的柔性体, 当无量纲间距H<0.25时, 两柔性体同向摆动; H>0.25时, 两柔性体反向摆动, 并且摆动频率在模式转换时发生突变; 当间距很大时(H>1.0), 两并排柔性体之间的耦合作用明显变弱, 两个物体运动呈解耦状态, 各自按照单个柔性梁在来流中的运动形态运动. 相同均匀来流中两串行柔性梁的数值模拟结果显示, 当排列间距很小时, 上游物体受到的阻力减小, 下游物体阻力增大. 本文计算的所有结果都与前人实验结果定性一致, 证明本文提出的方法可以用来模拟不同方式排列的多个柔性体在流体中的耦合运动.     

电场抑制纳米液滴的Leidenfrost现象

Leidenfrost现象是指液滴与过热表面接触时,快速汽化的蒸汽层将液滴与表面隔离,使液滴在表面悬浮的现象.为揭示表面润湿性对纳米液滴Leidenfrost现象的影响机制并实现纳米液滴的强化换热,本文采用分子动力学模拟研究了纳米液滴在不同润湿性表面上的Leidenfrost现象.结果表明,纳米液滴的Leidenfrost温度与表面润湿性密切相关,即表面越亲水, Leidenfrost温度越高.本文进一步研究了电场作用下纳米液滴在不同润湿性表面上的相变换热过程,发现施加电场可有效抑制Leidenfrost现象,电场增加液滴与表面的相互作用力是其抑制Leidenfrost现象的机理.     

粒介质在类固-液相变过程中的时空参数特性

颗粒介质的类固-液相变过程除受材料性质影响外, 还与其运动速率和密集度有密切关系, 而接触时间数和配位数是表征该相变过程中颗粒间相互作用的重要时间和空间参量. 本文采用三维离散元方法对不同切变速率和密集度下颗粒介质的动力学行为进行了数值模拟, 确定了颗粒材料在类固-液相变过程中接触时间数和配位数的参数特性和演化过程, 并结合宏观应力的分布特性, 进一步确定了颗粒介质在液态和固态相互转化中的动力学机理, 讨论了颗粒介质在由快速流动向慢速、准静态转化的相变过程. 通过对颗粒单元相互作用的细观数值模拟, 获取了颗粒介质在宏观上的动力学行为, 为研究其在不同相态下的本构模型提供了依据.     

温密物质特性研究进展与评述

温密物质属于高能量密度物理的一部分,包含着广泛而丰富的物理现象.它是惯性约束聚变(ICF)、重离子聚变、Z箍缩动作等过程中物质存在和发展的重要阶段,其热力学、光学和辐射等性质,决定着该阶段物质的宏观流体运动,以及物质与辐射场相互作用中的能量输运和转换.因此,温密物质性质的不断深入研究、相关参数如状态方程和辐射输运性质的不断精密化,在ICF、Z箍缩等高技术、以及地球、行星内部结构等研究中具有重要的科学意义和应用背景.本文重点介绍和评述了在实验室条件下温密物质产生、诊断及数值模拟技术的研究进展,以及冲击波物理与爆轰波物理重点实验利用二级轻气炮驱动飞片撞击靶板产生强冲击波、压缩气体产生温密物质状态诊断与数值模拟技术的新进展,最后对未来温密物质发展方向进行了展望、总结和建议.