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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

微米级液滴撞击低温球形颗粒的涂覆冻结

对微米级液滴撞击低温球形表面的动态行为进行了可视化实验.研究了液滴直径、球面温度等因素对微米级液滴撞击过程的影响及液滴撞击直径3 mm和5 mm金属钢球的冻结过程.当实验球面温度分别为–20℃和–30℃时,液滴撞击低温金属钢球表面时液滴铺展后迅速回缩成塔形状然后缓慢的铺展直至稳定状态,与常温状态下相比,液滴形态没有明显的振荡过程.结果表明:撞击速度越大,液滴具有的初始动能越大,液膜最大铺展弧长越大.随着载体颗粒直径的增加,液膜最大铺展弧长也随之增加,液膜的厚度却随载体颗粒直径的增加而减小;随着液滴直径的增加,液膜铺展弧长及液膜厚度都随之增加.通过实验数据统计分析可知,环境温度的显著水平最高,然后依次为液滴直径、载体颗粒直径.     

液滴与球形颗粒相互碰撞的数值模拟

为了研究液滴与球形颗粒的碰撞规律,建立了正确反映液滴与颗粒间相互碰撞的物理模型.利用所建模型模拟了液滴与颗粒的动态碰撞过程,进而对液滴半径铺展系数及液膜中心高度系数进行分析,研究了液滴与颗粒间的撞击速度、湿润角、粒径比等参数对碰撞结果的影响.结果表明:在一定条件下,撞击速度的提高会增大液滴的最大铺展半径系数,当撞击速度...     

空气环境中水滴和半空间弹性体撞击力学行为的数值模拟

通过将拉格朗日方法与欧拉方法相耦合,分析了在空气环境中直径为1 mm、速度为150 m/s的球形水滴对半空间弹性体的撞击过程.通过对液固撞击过程的数值模拟,给出了撞击过程中水滴内部的压力分布及其随时间的变化、液固接触边缘射流的形成及其破碎的过程、被撞击固体的变形特点和等效应力及其随时间的变化.结果表明:水滴和被撞击固体的可压缩性对整个撞击过程有重要影响;在撞击的初始阶段,水滴中产生水锤压力并使固体表面产生相对很大的变形和应力,水锤压力的理论值和数值计算的结果具有较好的一致性,验证了耦合数值计算方法的可行性和精确度;射流出现的时间比激波脱体的时间晚,高速射流对不再平坦的固体表面的强烈剪切作用使固体进一步变形,并且液固接触边缘的压力高于内部的压力.     

增韧氧化铝陶瓷的层裂强度及压缩损伤研究

采用一级轻气炮对增韧ZTA 95/10陶瓷进行一维应变冲击压缩,通过激光干涉测速技术测量样品的自由面速度剖面,计算经过冲击压缩后残余的层裂强度,分析了其与加载应力的关系,并与未增韧的AD95陶瓷进行了对比,讨论了冲击压缩损伤程度随加载应力的变化关系以及增韧效果. 结果表明:加载应力在其雨贡纽弹性极限σ_HEL(约4.1 GPa)以下,ZTA 95/10陶瓷的层裂强度基本稳定,平均值为0.39 GPa,材料未发生压缩损伤;超过σ_HEL,层裂强度逐渐降低,开始发生压缩损伤;层裂强度在1.5倍σ_HEL附近降低到0,表明压缩损伤程度比较严重. 与AD95陶瓷相比,加载应力在3.7 GPa(AD95陶瓷的冲击压缩损伤阈值应力)以下,两种陶瓷的层裂强度基本相当;加载应力进一步增大,AD95陶瓷的层裂强度快速降低,而增韧后的ZTA 95/10陶瓷的层裂强度下降并不明显,表明ZTA 95/10陶瓷的压缩损伤程度远小于AD95陶瓷,这在一定程度上体现了增韧效果.      

矩阵环的一类拟Armendariz子环

考虑n阶矩阵环M_n(R)的子环S_n(R)的拟Armendariz性质, 证明了如果R是半素环, α₁,α₂,…,α_n是R的相容自同态, 则对任意正整数n≥2, S_n(R)是拟Armendariz环; 并证明了如果R是交换环, α₁,α₂,…,α_n是R的相容自同态且α₁=α_n, 则R是半素环当且仅当S_n(R)是拟Armendariz环.     

应力空间和应变空间的后继屈服面演化

 屈服面的位置和形状直接影响材料塑性应变的确定。考虑滑移是晶体的主要塑性变形机制,介绍了晶体塑性理论的推广--滑移构元模型,研究了应力空间和应变空间的后继屈服面演化。给出了确定应力空间和应变空间屈服面的数值计算方法,提出一种考虑屈服面畸变变形的混合硬化假设,可以描述应力空间和应变空间后继屈服面的移动和畸变变形。通过计算1100-O 铝在纯扭转和拉扭组合加载下（σ₁₁ -σ₁₂）空间和（ε₁₁ -γ₁₂）的后继屈服面演化,与已有实验结果吻合。研究结果表明,无论是在应力空间还是应变空间,后继屈服面“前凸后扁”的变形特征可基于滑移构元的潜在硬化和包氏效应来描述。     

热处理对TiAl基合金喷丸试样组织与性能的影响

TiAl合金在高温下服役时,表面因受循环载荷而容易产生疲劳裂纹,因此有必要进行表面处理以改善其力学性能。使用直径0.2 mm钢丸在0.7 MPa气压下对TiAl合金进行室温喷丸实验,使用ABAQUS有限元分析软件进行喷丸仿真模拟研究。随后,对喷丸试样进行不同温度和保温时间的热处理。通过SEM观察TiAl合金纵截面的显微组织,使用X射线残余应力仪测量TiAl合金表面的残余压应力,使用显微硬度仪测量热处理后TiAl合金表面的显微硬度。结果发现,喷丸后TiAl合金表面出现许多凹坑和层片状突起,次表面处发生明显塑性变形并出现许多变形孪晶。热处理后TiAl合金表面残余压应力会随着保温时间的增加和热处理温度的升高而变小。硬度几乎表现出与残余应力相同的趋势,但当热处理温度为1 200℃时,因金相组织发生变化,α₂相含量明显增多,导致硬度增加。     

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.     

空心环形件电渣熔铸内结晶器的对流换热系数

"空心环形件电渣熔铸"内结晶器对流换热系数αin是衡量其内结晶器冷却效果的核心参数.本文将实测的内结晶器铜板水冷面温度、流体温度值代入基本算式求取并利用有限元分析验证来确定αin的取值范围,通过比照水平环形套管对流换热系数的经验公式来确定计算αin的经验公式.该经验公式用温差函数、效应因子、速度函数解析了内结晶器水模型温差、短管效应、内外径及高度等形状因素对αin的综合影响,提供了αin数据库建立的理论依据.