基于格子玻尔兹曼方法的双液滴撞击壁面液膜的热特性演化过程

为了研究并排双液滴撞击覆有液膜的高温壁面过程中壁面热流密度分布特征,基于水热耦合双分布函数格子玻尔兹曼伪势模型,探究了液滴间距、撞击速度和液相黏滞系数在不同时刻对壁面瞬时热流密度分布的影响。结果表明：低温液滴的扩散与下潜导致撞击区和中心射流区的壁面与液膜之间的温度梯度上升,引起撞击区和中心射流区壁面热流密度骤增。撞击区传热形式以对流传热为主,静态区受液冠处速度不连续性影响,其传热形式以扩散传热为主。双液滴撞击速度增大导致液滴下潜和扩展程度加深,液膜内部对流传热增强。双液滴间距增加引起双液滴内侧液冠在液膜内扩展空间增大,造成瞬时壁面高热流密度区域面积增加,利于散热。此外,更大的液相黏滞系数增大了液滴撞击液膜过程中的黏滞耗散,降低低温液滴的下潜程度和撞击区的液膜流场对流强度,导致壁面热流密度峰值减小。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

金属沉积成形流固耦合工艺参数

为了研究金属沉积成形中流固耦合过程工艺参数,建立了VOF理论模型,利用该模型对整个熔滴沉积流固耦合过程进行数值模拟.通过变换相关参数,分析了熔滴滴落及在基板壁面上的铺展状态,研究了不同熔滴直径、碰撞速度以及基板温度对变形过程的影响.结果表明:熔滴在滴落过程中,温度由外层向内部逐渐降低,凝固层加大,而熔滴内部中心处温度基本不变;撞击基板后,熔滴沿着半径向外扩散,水平半径逐渐增大,高度逐渐减小;不同的基板温度所对应熔滴的凝固时间不同,而基板温度越低,熔滴凝固越快;不同直径的液滴在撞击经过预热的基板后,因金属熔滴凝固,体积分数随沉积时间延长而减小,但对铺展时间有影响.     

加热面尺寸对饱和池沸腾换热性能的影响

为揭示加热面尺寸对饱和池沸腾换热性能的影响,对8种不同尺寸光滑硅片表面在FC-72中的池沸腾换热性能进行了实验研究,通过高速相机观察了不同热流密度下各尺寸硅片表面的气泡动力学行为,分析了加热面尺寸对汽泡成核、脱离特性和换热系数的影响。结果表明,自然对流区内,相同热流密度条件下加热面尺寸越大,硅片对液体的热对流扰动越小,壁温越高且换热系数越小;随热流密度增大,换热面周边最先产生汽泡,大尺寸换热面与绝热胶的接触周长更大,产生的缺陷和凹坑能捕捉更多气体,因此率先进入核态沸腾。核态沸腾区内,小尺寸加热面汽泡脱离直径小、脱离频率高,换热性能好。高热流密度范围内,大尺寸表面的汽泡脱离直径和脱离频率随热流密度增大而迅速增大,表面换热增强。临界沸腾点时,换热系数随加热面尺寸的增加呈先增大再减小最后缓慢增大的变化趋势。     

液滴碰撞倾斜壁面的动力学特性

为了探究液滴碰撞在固体表面的动力学特性,该文进行了不同初速度的液滴以不同角度撞击光滑不锈钢表面的实验,通过实验研究了液滴的碰撞角度和Weber数对碰撞过程中液滴的动力学特性,如液滴前后沿点位移、最大铺展直径、滑移距离等的影响。结果表明:液滴的最大无量纲铺展直径随Weber数的增大而增大,随斜面倾斜角度的增大而减小;但是,液滴最终静止在表面时与表面的接触直径几乎不受Weber数和碰撞角度的影响,而是取决于液滴在表面上的前进接触角和后退接触角;另外,液滴的前后沿点位移和滑移距离随碰撞角度和Weber数的增大都呈现上升趋势。     

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.     

液-液循环流化床制冰过程的(火用)分析

采用水与另一种非相溶载冷流体直接接触换热结冰的液液循环流化床是一种新型动态制取流体冰方法.针对该方法建立了研究床内多相流动与传热过程的数值模拟平台,以热力学第二定律为基础提出了液液循环流化床制冰过程的火用损失计算模型.采用数值试验方法探讨了水滴直径、载冷液体入口温度和速度对系统的制冰能力和火用损失的影响.研究结果发现,减小水滴直径和入口温度可以不断提高循环流化床的制冰能力,但减小入口速度的作用有限,而减小水滴直径是兼顾制冰能力和过程火用损失的最有利途径.     

特厚钢板阵列射流淬火的表面换热

采用特厚钢板专用辊式射流淬火试验装置和多通道钢板温度记录仪,测试出射流速度3.39~26.8 m·s-1、雷诺数12808~117340、水流密度978.7~6751.5 L·(m2·min)-1条件下,84 mm厚钢板淬火冷却曲线;进而基于反传热修正方法计算高温钢板淬火过程壁面温度和热流密度,描绘出沸腾曲线,分析多束圆孔阵列射流对特厚钢板淬火表面换热的影响.结果表明:射流速度、水流密度等参数影响钢板表面射流滞止区和平行流区换热机制,进而影响最大热流密度分布.射流速度较低时,壁面平行流区观察到混合换热和"热流密度肩"现象;随射流速度增大,膜沸腾换热机制消失,最大热流密度移至较低壁面过热度处.相关研究将对特厚钢板淬火过程温度场计算和组织性能调控提供有益的帮助.     

Experimental study of heat transfer of ultra-supercritical pressure water in vertical upward internally ribbed tube

Under ultra-supercritical pressure, the heat transfer characteristics of water in vertical upward 4-head internally ribbed tubes with a diameter of 28.65mm and thickness of 8mm were experimentally studied. The experiments were performed at P=25～34MPa, G=450～1800kg/(m2·s) and q=200～600kW/m2. The results show that the pressure has only a moderate effect on the heat transfer of ultra-supercritical water when the water temperature is below the pseudocritical point. Sharp rise of the wall temperature near the pesudocritical region occurs earlier at a higher pressure. Increasing the mass velocity improves the heat transfer with a much stronger effect below the pesudocritical point than that above the pesudocritical point. For given pressure and mass velocity, the inner wall heat flux also shows a significant effect on the inner wall temperature, with a higher inner wall heat flux leading to a higher inner wall temperature. Increasing of inner wall heat flux leads to an early occurrence of sharp rise of the wall temperature. Correlations of heat transfer coefficients are also presented for vertical upward internally ribbed tubes.     

油滴与深油膜正碰撞的动力学分析

为揭示航空发动机轴承腔中润滑油滴与壁面油膜的碰撞特性,采用VOF方法建立了油滴与深油膜正碰撞的三维数值分析模型.通过数值计算,分析了油滴与深油膜正碰撞后溅射油膜与空腔的形貌演化与流动铺展过程,以及二次油滴的初始特性;探讨了油滴直径和碰撞速度对碰撞结果的影响.结果表明:碰撞形成的溅射油膜以油滴接触点为中心向外铺展,最终发展为冠状油膜,其间伴随有大量尺寸各异的二次油滴产生;油膜内部形成的空腔近似空间半球形状,二次油滴的直径呈对数正态分布;随着油滴直径和碰撞速度的增大,油冠高度、空腔深度和直径均增大;二次油滴直径分布区间随着油滴直径的增大和碰撞速度的减小而更加分散.与相关试验结果进行对比,验证了提出的数值分析模型的正确性与可靠性.     

循环流化床床层与壁面间传热特性的模拟分析

利用已建立的数学模型，对循环流化床床层与壁面间的传热特性进行了预测．分析了床层密度、床层温度、流化速度、颗粒粒径以及壁面长度等设计和运行参数对传热系数的影响．结果表明，床层密度越大或温度越高，传热系数越大；而颗粒粒径越大或壁面长度越大，传热系数越小；流化速度对传热系数则影响不大．     

单个水滴蒸发过冷过程的特性分析

为分析单个水滴在低温、低湿空气中的运动和蒸发特性,建立了描述整个传热传质及运动过程的数学模型,并通过对悬挂水滴的蒸发冷却实验验证了该模型的有效性.通过模拟计算获得了水滴温度、直径、速度和运动轨迹的变化规律,以及水滴初始参数和空气速度对制冰效率的影响.结果表明,水滴在某一喷射角度下,直径越小,同样的下落高度水滴水平飞行的距离越短,而相应的速度衰减则越快,同时水滴蒸发过冷所需的时间越短.另外,水滴初始温度越低和逆流空气速度越高,在很短的下落高度内,水滴就实现了过冷,而水滴直径的变化量随着初始水温和空气流速的增大而增大,因此对雾化水滴进行预冷却不仅可提高系统制冰效率,还能减少水滴的蒸发损失.