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.     

液滴对降落伞织物冲击的数值研究

为了研究液滴对降落伞织物的冲击作用,分别建立了液滴的流场网格模型和织物的结构网格模型。 利用试验得到织物的透水率参数,通过双向流固耦合的方法,进行了不同工况下液滴冲击织物的数值仿真。分析了液滴外形的变化特征以及织物所受撞击力的影响因素。将数值结果和试验结果进行了对比,结果表明：数值计算结果与试验结果基本一致,验证了本方法的可行性和正确性。     

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。     

低冲击能量液滴与球面碰撞沉积特性的数值研究

将水平集方法与浸没边界法相结合,发展了一个在固定欧拉网格系统中的直接数值模拟方法,对韦伯数在5～100、雷诺数在10～150以内的低冲击能量液滴正向撞击球面的过程进行了三维直接数值模拟,重点研究了液滴的冲击速度与球面曲率半径对液滴沉积行为的影响.模拟结果表明,在低冲击能量下,正向冲击液滴在球面上呈现出铺展、回缩、再铺展、再回缩,直至沉积在球面上的特征.在沉积过程中,液滴的铺展速率与铺展面积随着撞击速度的增大而增大,液滴的铺展面积随着球面曲率半径的增大而减小.液滴在沉积过程的首次回缩阶段,出现中心局部破裂现象.为了定量研究该现象,建立了局部破裂与韦伯数以及球面曲率半径之间的关系图谱.     

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。     

两相格子Boltzmann方法的液滴冲击流动液膜数值模拟

基于最新的两相格子Boltzmann模型(Lee模型)在数值方法上进行了改进,进一步提高了模型在大密度比下的数值稳定性。基于改进后的模型首先研究了二维液滴冲击静止液膜,计算得到的溅射根部铺展半径与实验结论一致吻合,从而验证了改进后模型的正确性。进一步数值模拟了液滴冲击流动液膜的溅射过程,考虑了不同的液膜液滴速度比和液膜相对厚度对流动过程的影响。计算结果与冲击静止液膜的计算结果和实验结论进行了对比,总结了溅射过程中溅射铺展半径和溅射高度随时间的变化规律,论述了流动现象产生的内在机理。     

航天回收用降落伞材料强度验证方法

为了使地面材料试验能够尽可能地模拟降落伞真实工作状态，改进降落伞的设计验证方法，根据降落伞实际应用工况开展了降落伞常用织物材料在疲劳载荷、双轴拉伸载荷和垂直平面载荷作用下的试验研究，提出了织物受垂直平面载荷作用的载荷计算方法。研究结果表明：疲劳载荷降低了降落伞常用织物材料锦纶的断裂伸长率，使拉伸断裂功变小，降低了织物的动载载荷承受能力；在双轴拉伸载荷作用下，2种降落伞常用的锦纶平纹织物材料的拉伸强度未出现与单轴拉伸强度有明显差异的现象；在垂直平面载荷作用下，锦纶织物的断裂强力小于材料标称断裂强力，强度损失最高约16%,试验结果可应用于降落伞强度设计系数计算中，以指导产品设计。     

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。     

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.     

双疏水表面润湿和传热动力学研究

为实现润湿图案化的超疏水表面在航空电子设备散热中的应用,本文对液滴撞击双疏水表面(具有疏水性图案的超疏水基质)的润湿行为和传热特性进行了分析.通过使用高速相机和红外相机,我们获取了液滴铺展和回退阶段的动力学以及表面温度和热流量的相应空间分布.本文研究了液滴撞击超疏水、疏水和双疏水表面上的动态润湿和局部传热的差异.此外,本文还分析了表面温度和撞击高度对液滴撞击过程的影响.结果表明,所有表面在铺展阶段都具有相同的润湿特性和相似的传热行为.表面温度变化并不能对铺展阶段表面润湿特性产生较大的影响,液滴铺展时间与表面温度和撞击高度无关.在回退阶段,表面润湿特性的差异使得三个表面之间的传热特性明显不同.双疏水表面特殊润湿特性使得回退阶段液膜的接触线速度存在跳变现象,形成了许多小液滴,增加了接触面积,同时又兼具了超疏水表面的回弹特性.     

基于SPH方法连续液滴撞击固壁面模拟

 为了研究连续液滴对固壁面的撞击影响, 引入一种纯Lagrange、无网格计算方法, 即光滑粒子流体动力学方法(SPH)。对连续液滴撞击固壁面的扩散、回弹及飞溅进行了数值模拟并与实验测试进行比对。结果表明:连续液滴撞击固壁面时, 液滴的自由表面变化具有许多不确定性, 其中次生液滴的产生和韦伯数的作用是影响液滴撞击扩散的主因。次生液滴的出现使得液滴扩散及飞溅变得更为明显, 韦伯数越大, 连续液滴的无量纲直径变化越快。模拟效果真实反映了液滴撞击过程, 可为类似撞击问题的仿真分析提供借鉴。     

丝米级矩形沟槽表面的水滴融合过程

采用高速摄像技术测试丝米级矩形沟槽表面的水滴融合过程,分析了平行沟槽、垂直沟槽方向的2个等大、非等大水滴间的融合和振荡规律.试验中,采用壁面预埋针头法实现了预置静态水滴与缓慢生长的准静态水滴的融合.结果表明,水滴的融合过程包含融合、振荡2个阶段.在等大水滴间的融合过程中,当水滴平行于沟槽方向融合时,受到沟槽的引导作用,沿沟槽方向的水滴振荡剧烈并伴随接触线的往复移动;当水滴垂直于沟槽方向融合时,受到垂向肋间"能垒"的限制,垂直沟槽方向的水滴振荡较弱,且接触线位置无明显变化,但竖直方向的水滴振幅显著.在非等大水滴间融合时,小水滴被吸引到大水滴一侧,融合过程呈现出不对称性,且液桥高度峰值、融合时间及接触线长度均随两水滴总体积的增加而增大.     

单液滴撞击水平冷板面的模拟研究

针对喷雾冷冻干燥中液滴在设备壁面的冷冻沉积问题,在前期单液滴撞击水平放置冷板面的实验基础上,建立了单液滴与冷板面撞击的模型,利用水平集方法与固化模型相结合,模拟了蒸馏水液滴(直径为3.2,mm,温度为293,K)分别从100、250、500,mm高度撞击不锈钢板面(温度为268,K和253,K)的过程.模拟的最大铺展直径同实验对比,误差小于10%,证明该模型可适用于低黏度、低密度的单液滴撞击水平冷板面的情况.     

柴油喷雾粒径空间分布特征理论与实验研究

为研究小型柴油燃烧器压力雾化喷嘴在喷雾外流场空间内的柴油喷雾粒径分布特征,采用激光粒度仪测量沿喷嘴出口轴向方向各截面处的液滴粒径分布。分别测试了不同配风量,不同喷油压力,不同喷雾锥角和油量条件下在 5 ~ 50 cm截面处的粒径分布,对其液滴平均索特尔直径进行分析,用分散指数表征液滴分布的均匀性。研究表明,喷雾粒径在空间的整体分布是在喷雾出口处区域最小,在浓雾区粒径最大但分布均匀。随风量和油压的减小,平均粒径增大,喷雾锥角对粒径影响不大,而油量对全局的空间分布影响较大。液滴在风量大的浓雾区分布均匀,但油压超过 1.2 MPa,初始破碎区的均匀度反而下降。初始破碎区的液滴粒径受液滴间相互作用影响,结合实验结果,引入液滴群整体作用系数B对理论推导的临界破碎粒径公式进行修正,平均误差5%。     

轴向间距对二次水滴运动特性及沉积规律的影响

基于有限体积法、计算流体力学研究了某核电大功率汽轮机次末级的二次水滴侵蚀问题,采用Lagrangian方法求解了水滴的离散输运方程,利用Eulerian方法求解了叶栅内蒸汽的流动,并为叶栅通道内的汽相流动与水滴运动建立了数学模型.在定常条件下,通过轴向间距对二次水滴运动特性及沉积规律的影响研究发现:脱离静叶尾缘的水滴在叶栅通道空间中均呈现出向上端壁倾斜的运动趋势,由此获得了叶栅通道中水滴在各固壁面的沉积率;加大轴向间距可以减小二次水滴对动叶片的撞击速度,增大大颗粒水滴抛落到轴向间距上端壁的沉积率.所以,依据大颗粒水滴的集中沉积区域可以确定动叶表面去湿沟槽的适宜位置,该位置应位于吸力面上半部的前缘至中弦区域之间.