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。     

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.     

黏弹性液滴撞击疏水壁面的动力学研究

本文数值研究了在较低雷诺数和韦伯数下黏弹性液滴撞击疏水壁面的动力学过程.与牛顿流体相比,前人实验发现黏弹性流体对液滴撞击壁面后的铺展和回缩动力学过程有很大影响.为了探讨撞击过程的黏弹性效应,我们采用Oldroyd-B本构模型与扩散界面模型相结合的方法进行直接数值模拟,其中液滴黏弹性是通过德博拉数(De数,是松弛时间与特征时间的比值)来进行表征.基于数值结果,我们发现在撞击壁面之后,液滴的铺展过程几乎不会受到De数的影响,均满足铺展时间t_m与最大铺展半径R_m的尺度率关系:t _m～(We)~(1/2)R_m~(3/2).在回缩过程中,牛顿流体液滴会发生反弹现象,而黏弹性液滴则随着De数的增大,其回缩速度逐渐减小,直至反弹现象被完全抑制.通过对数值结果的深入分析,揭示了液滴黏弹性导致反弹抑制现象的机制,即在液滴的回缩过程中,液体的黏弹性效应导致了界面周围出现向下的弹性力,从而阻碍了液滴的反弹运动,且De数越大,反弹越容易被抑制.     

水滴在撞击不同厚度水膜条件下产生的二次液滴特性

采用高速相机对水滴撞击水膜的飞溅过程进行了详细测量,分析了水滴撞击水膜的飞溅临界值、二次液滴的直径分布和二次液滴的速率等飞溅特性。结果表明,在实验参数范围内,当韦伯数增大时发生飞溅现象。此外,可以使用量纲为一参数K 来描述飞溅临界值,K=We·Oh^-0.4。当K值大于2 100时发生飞溅现象,二次液滴的量纲为一直径和二次液滴的量纲为一速率随着K值的增大而增大。水膜量纲为一厚度对二次液滴直径分布的影响不明显,但由冠状水花产生的二次液滴的平均量纲为一速率随水膜量纲为一厚度的增加而减小。     

交变电场频率对弱导电液滴变形及融合的影响

基于相场方法和电荷守恒模型,在OpenFOAM框架下发展了考虑电荷输运的两相流数值方法,系统研究了不同电物性参数条件下交变电场频率对弱导电的单个液滴变形和双液滴融合的影响。结果表明,交变电场频率对单个液滴变形具有显著影响,同时也会影响双液滴的融合时间。当介电常数比Q和导电率比R相等时,单个液滴在交变电场中的平均变形率和等效直流电场中液滴的稳态变形率相等,双液滴融合时间随着频率增加而增加。当Q＞R时,随着频率增大,单个液滴的平均变形率不断增大,双液滴融合时间减少。当Q＜R时,电场频率增大会导致单个液滴平均变形率的减小以及双液滴融合时间增加。     

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.     

基于SPH应力修正算法的液滴撞击超疏水壁面模拟分析

 针对SPH方法中的压应力不稳定问题,提出一种改进的Quintic核函数,相对于传统的“钟形”核函数可以更好地改善SPH模拟过程中粒子的聚集现象。应用改进模型对液滴撞击超疏水壁面过程进行模拟研究,根据撞击后液滴铺展的运动特征,分析了影响壁面摩擦阻力的因素以及摩擦阻力的作用区域。结果表明,当壁面相对浸润直径φ<1时,撞击后液滴铺展受壁面黏度系数υ'的影响不明显,而当φ≥1时,相同条件下υ'越大液滴铺展速度越小,壁面相对浸润直径的最大值φ_max越小,因此φ≥1为撞击后液滴铺展过程中壁面摩擦阻力的主要作用区域;壁面黏度系数υ'值对撞击后液滴铺展时间影响较小,不同υ'条件下液滴铺展达到φ_max的时间相近,在相同壁面条件下液滴铺展受到的摩擦阻力会随着撞击速度v₀的增加而变大,υ'与v₀大致按二次抛物线变化。     

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.     

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。     

双液滴垂直碰撞等温壁面过程分析

采用VOF方法模拟了多孔介质中垂直放置的2个正庚烷液滴垂直撞击壁面的过程,研究了韦伯数、雷诺数、壁面尺寸及圆心距等因素对双液滴碰壁现象的影响,分析了双液滴碰壁过程液滴碰壁、液滴间相互碰撞、相溶、铺展形成附壁液膜、形成皇冠形空间液膜及液膜破碎等过程的动力学特性.分别对比了只改变其中1个参数的情况下,皇冠型空间液膜高度和附壁液膜高度的变化.结果表明:在其他参数不变的情况下,分别增大We,Re,d0/H以及减小d0/s,飞溅的二次液滴数量明显增多,皇冠型空间液膜高度都有不同程度的增大,对附壁液膜高度也有不同程度的影响.     

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。     

喷嘴雾化粒径的实验研究

为了提高喷嘴的雾化效果,利用相位多普勒粒子分析仪对３种新型的喷嘴进行了测试,并根据结果分析了喷头、混和管的影响及这３种喷嘴的性能。实验发现,为改善喷嘴雾化,除了要增加气液两相的相对速度以增大气动力外,还要提高液喷嘴的出口速度以增强对撞力。     

电荷探针法液滴粒度分布的测量结果与分析

利用液滴自身的带电来测量液滴粒度分布的测量系统－电荷探针法测量系统已初步研制成功，并在大型搅拌装置上进行了实际测量及其分析。     

油包水型乳化液剪切破乳的动力学研究

介绍了乳化液剪切破乳的思想，设计了双圆筒剪切装置形成薄层纯剪切流场，并进行流场分析。通过对油包水型乳化液的小水滴进行动力学分析，得出控制适当的剪切率，有利于液滴聚合，可以提高油水分离效率。     

微型方直管中液滴的流动与变形

讨论了二相流体在微型管中的流动问题、边界条件与表面浸润现象,给出了微型管中二相流体的输运方程.针对方形微型管道,利用有限差分法给出了输运方程的数值求解方法.模拟了方形直管中单个和多个液滴的流动与变形过程,通过数值模拟结果发现,量纲为一的参数Pe和Ca对液滴的变形有很大影响,随着Pe的增大,液滴的变形急剧增大,当毛细数在0.35~0.50之间时,液滴尾部的曲率逐渐减小,由正值开始变成负值,形成一个凹陷.     

W/O乳化液分散相液滴破裂的临界条件

分析牛顿型液-液两相乳化液的分散相液滴的破裂机理及其临界条件,用Couette双圆筒装置形成薄层纯剪切流场,通过白油包水型乳化液滴在不同剪切率下的变形和破裂情况,验证临界破裂条件并加以修正。提出对于油水旋流分离器,根据实际的流场分布和乳化液的物性特点,可以预测分离效果;或根据分离器的分离能力,适当控制其转速或流量等操作条件,使内部流场合理分布,防止乳化液进一步乳化。为此,研究液滴的临界破裂条件可为各类油水乳化液分离设备内部的剪切分布的合理性提供可靠依据和优化指标。     

低压闪蒸液滴温度与相变过程的研究

在低压环境P=200—800Pa的工况范围内,研究了在闪蒸结冰过程中,液滴温度的变化与环境压力之间的关系.试验结果表明:在低压闪蒸结冰过程中,随着气压的降低,因为过热,液滴内部产生气泡的强度增加.液滴的破碎和液滴内部气泡的生长速度与环境压力有直接关系;在闪蒸过程中,液滴处于热力学非平衡状态,表现在液滴外侧发生的温度跳跃很小,而在液滴内部发生的温度跳跃很大;由于液滴蒸发的影响以及闪蒸过程中蒸发波的产生,即使在真空状态下,液滴周围仍存在一定的压力.     

基于水平集方法的共轴流型液滴形态关键参数研究

采用水平集方法对共轴流形的液滴成形进行计算和研究.以液-液两相流为研究对象，离散相为石蜡和庚烷混合物，连续相为纯水溶液.对离散相液体的进样速度、黏度和进样孔径大小分别进行了计算分析.离散相液体分别以15 ~ 48mm/s的速度进入半径1mm的圆孔通道，随着流速增大，喷射高度变长，周期规律性降低.同时提高离散相溶液的黏度可以有效降低液滴张力与拖曳力之间的作用时间，增大液滴生成频率和改善液滴均匀性.孔径大小直接影响进样口层流的入口速度，缩小孔径将使进样流速变化剧烈，挤压后的液滴生成尺寸相对较小.     

水平分层/雾化流中相间滑移特性的理论研究

通过对水平分层／雾化流中液滴和其携带流体间交互作用的分析，提出了一个预测水平分层／雾化流中轴向液滴速度分布以及弥散相和连续相之间相对滑移的理论模型，通过计算获得了两相速度参数及相对滑移参数。计算与实验结果表明：无论是从液滴轴向速度分布变化趋势的定性分析，还是从与实验数据的定量比较来看，建立的模型都是合理的。液滴速度与气相速度分布不同，在垂直方向上液滴的轴向速度近乎呈线性分布。油／气两相流动时气核中液滴与气相的平均滑移比约为0．7。     

密立根油滴的动力学条件及参数确定

通过计算研究了密立根油滴运动的具体物理过程,给出了动态法测量油滴电量的动力学条件,为实验测量提供了更加合理的方法和确定参数的依据。