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.     

单液滴碰撞不同尺寸等温壁面过程

应用基于VOF的界面跟踪方法分析了单液滴碰撞不同尺寸等温固体壁面时铺展、回缩或延伸至壁外形成液膜、液膜破碎等过程的动力学行为.通过与文献中液滴在壁面上铺展直径随时间变化的试验对比,证实了模型的可靠性.通过改变We数、Re数及壁面宽度,考查了初始液滴碰撞动能、表面能及固体壁面尺度对液滴碰壁现象的影响,计算结果表明:当壁面...     

液滴与水平壁面碰撞力的数值研究

为探究叶轮机械内部液滴与固壁之间碰撞引起的壁面磨损破坏的机理,采用流体体积方法,数值研究液滴直径、碰撞速度和液滴与壁面之间的接触角对液滴与壁面碰撞的瞬态碰撞力发展变化的影响。研究结果表明,液滴与壁面之间的接触角对液滴碰撞过程中的碰撞力几乎没有影响,但对于不同雷诺数和韦伯数下的液滴,其与静止壁面的碰撞力按液滴直径的2.118次方和速度的1.761次方正则化后,碰撞力的无量纲时间曲线基本重合,且碰撞力峰值出现的无量纲时刻为0.26,即同样直径的液滴,碰撞速度越大,到达碰撞力峰值所用时间越短,对同样速度的液滴,液滴直径越大,则液滴到达碰撞力峰值所用时间越长。     

液滴与水平壁面碰撞力的实验方法

为了获得准确的碰撞力数据,根据液滴碰撞过程极其短暂且低速液滴碰撞力较小的特点,搭建了低速液滴与固体壁面碰撞力测量实验台;通过理论分析和实验验证对液滴碰撞力测量系统进行了优化,以探究系统振动对瞬态碰撞力结果的影响;利用滤波等措施消除影响后获得低速液滴和固体壁面碰撞过程的碰撞力。实验中使用压电传感器来测量碰撞力随时间变化的过程,同时将测量系统简化为双振子模型,以分析基座和碰撞盘的振动对碰撞力信号的影响;通过进行实验结果的频谱分析来验证理论模型,同时找出影响碰撞力信号波动的因素。实验表明:基座和碰撞盘的振动会导致碰撞力曲线出现波动,增大基座质量可以消除基座振动的影响,减小碰撞盘的质量并结合低通滤波可以消除碰撞盘振动的影响。测试系统可以实现不同液滴直径、不同碰撞速度和物性的液滴碰撞力的采集和处理。     

流体性质对液滴碰撞壁面影响的数值研究

不同学者对液滴碰撞动力学的研究结论具有差异,研究的流体种类也较为单一.该文建立的研究体系包含了水、甘油水溶液、硅油、常温液态金属在内的9组流体,将流体黏度、表面张力的研究范围扩展至1～970mPa·s、20～500 mN/m,通过相场法数值模拟,补充低Reynolds数Re的液滴碰撞数据,探索已有理论的适用性.研究表明...     

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.     

高分子液滴碰撞的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学模拟了剪切流中两个变形的高分子液滴相互碰撞过程.高分子液滴由多根有限拉伸非线性弹性珠簧链(FENE链)构成.研究了碰撞分离和碰撞聚合两种情形.讨论了由于剪切流导致的液滴自扩散现象.除了Ca与粘性比之外,液滴之间的界面张力系数对于两个液滴碰撞后聚合或者分离过程有重要的影响.当液滴之间存在界面张力,一定条件下可形成复合液滴.剪切流条件下,组成复合液滴的两个子液滴会出现相互翻滚现象.     

气体介质中双元液滴的碰撞动力学

本文简要综述了气体介质中双元液滴的碰撞动力学的研究进展,重点在于揭示这个问题的多尺度、多物理、非线性的特性.本文首先介绍了各种气体和压力下双元液滴碰撞的实验现象.然后讨论了完全等同的两个液滴的正碰这一最简单的情形的理论分析.最后介绍了大小不同液滴的融合和混合、非牛顿流液滴的碰撞等近年关注度较高的问题.     

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。     

剪切流场下液滴碰撞的流变特性

基于VOF液/液相界面追踪方法,建立了不可压缩水/油单乳液液滴动力学模型并进行数值求解,模拟研究了剪切流场条件下2个相同体积的液滴在碰撞过程中的相互作用及变形行为.观察了液滴碰撞过程中液滴的运动轨迹,并对相应的内在机理进行了分析.在剪切流场作用下,两液滴的碰撞过程分为接近、碰撞、分离3个阶段.由于碰撞过程中液滴间的相互挤推作用,液滴分离后,液滴间的侧向质心间距Δy/a增大.此外,分析了液滴碰撞过程中毛细数对液滴间相互作用的影响.两液滴在碰撞靠近过程中,在碰撞区中心处产生一个高压区,随着毛细数Ca从0.2增加到0.4,界面挤压变形越明显,液滴变形系数D也从0.32增加到0.51.     

液滴撞击固体壁面研究进展

液滴撞击固体壁面的动力学行为广泛存在于能源化工、机械冶金、航空航天以及工农业生产各个领域,研究液滴撞击固体壁面动态行为,内部流场以及传热传质机理对化工、冷却、喷墨打印等技术领域有重要意义。文章查阅国内外相关的部分文献,对液滴撞击壁面过程动态行为研究从理论、实验和数值模拟方面进行归纳和总结,分别从撞击后铺展、回缩、反弹等动态行为、以及相关的影响因素,如壁面形态结构、润湿性、液滴物性等进行整理分析,就理论、实验和数值模拟重点研究范围进行论述,指出三种研究方法各自存在优缺点,提出针对具体相关领域液滴撞击壁面进一步研究建议和展望。     

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。     

液滴从固体壁面脱落条件的分析

以新的观念建立了液滴从固体壁面上脱落过程的模式，外力的微位移的做功与接触圆微位移所需克服的粘附功相平衡为脱落条件，求出了亲水性、憎水性、超憎水性壁面上的液滴的脱离尺寸。     

悬臂梁碰撞振动系统的动力学特性分析

对悬臂梁碰撞振动系统的动力学特性进行了分析,建立了系统的动力学方程并进行数值求解,分析了弹簧的弹性系数变化对系统动力学行为的影响,利用全局分岔图揭示了系统通向混沌的途径,并给出对应的时间历程图、庞加莱截面图和相图以分析系统的动力学特性。从分岔图上发现了跳跃现象,通过对时间历程图的分析发现该现象是由碰撞变化引起的。     

液滴在燃煤细颗粒表面凝结的长大动力学特性

为了研究液滴在燃煤细颗粒表面的长大动力学特性,实验测量了水在不同燃煤细颗粒表面的接触角θ,考虑液滴在燃煤细颗粒表面长大的2种作用机制:细颗粒表面水汽的直接扩散凝结和颗粒表面吸附水扩散凝结,对燃煤细颗粒表面单液滴的长大动力学进行了研究.数值讨论了燃煤细颗粒粒径、蒸汽过饱和度、蒸汽温度、液滴半径和颗粒表面润湿性对单液滴在燃煤细颗粒表面长大速率的影响.结果表明:当颗粒粒径小于0.5μm时,液滴的长大速率随着燃煤细颗粒的增大迅速增大,当粒径大于0.5μm时,长大速率随着粒径的增大缓慢增长;液滴的长大速率随着过饱和度上升呈指数倍增长,但是随着蒸汽温度的上升而呈现下降的趋势;液滴的长大速率开始随着液滴半径的增大而急剧下降,长大到某一半径后下降的趋势变缓;当0≤cosθ≤0.8时,长大速率随着润湿角余弦值的增大而平缓地增大,当0.8≤cosθ≤1时,长大速率会随着润湿角余弦值的增大而急剧增大.     

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.     

水平壁面上液滴吹离的临界风速

以空气横掠水平壁面上的液滴作为研究对象，确定液滴脱离时的界面形状，给出沿接触线周边接触角的变化关系，在滞后张力模型的基础上，从力平衡出发建立脱落直径的联立方程，讨论液滴脱离直径与来流速度的关系．随来流速度增加，液滴所受表面力和风力均增加，低来流速度下，表面力起主要控制作用，随来流速度增加，风力比表面力增加得快，导致液滴半径越小，被风吹离所需的临界风速越大．液滴脱离的临界风速还与液滴距平板前缘L的距离有关，表现为L越大，液滴被吹离所需的临界风速越大，且液滴半径越大，L影响越显著．     

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。     

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。