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.     

液固高速撞击时材料表面损伤的数值模拟

为了研究液固撞击的机理,采用光滑粒子流体动力学方法（SPH）与有限单元法（FEM）建立了考虑流固耦合效应的高速液固撞击数值模型,详细分析了直径为2mm、撞击速度为1000m／s的液滴和射流对有机玻璃（PMMA）的三维撞击和破坏状况．分析表明：射流与液滴在撞击初始时刻的前缘变形和内部压力分布几乎是完全相同的;液滴撞击固体的最大压力值出现在0．20μs时,但此时材料内部最大等效应力只有104MPa,材料还不足以发生破坏;产生于液固撞击瞬时后0．32μs、速度高达2925m／s的侧向射流是使固体表面产生破坏的主要原因,因此撞击最初的破坏位于以撞击中心为圆心的一个圆环区域处．所得材料表面损伤情况与Brunton的实验数据吻合良好,证明了数值模型的可行性和精确性．     

双液滴撞击液膜的流动过程研究

通过建立二维数值模型对双液滴同时撞击液膜的动力学特性进行研究。采用VOF方法捕捉气液两相交界面的演化过程。主要探究了双液滴撞击液膜的流动过程,分析了流动过程中速度分布和压力分布随时间的变化情况。结果表明,双液滴撞击液膜时,不仅存在自身撞击液膜的流动现象,液滴之间还会产生相互影响。     

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。     

球形面喷涂成膜特性研究

针对球形面喷涂成膜气液两相流动耦合过程,利用欧拉-拉格朗日法建立球形面喷涂成膜模型,模型包括连续相模型、离散相模型和撞击黏附模型,并采用多面体网格和SIMPLE算法对其进行求解.数值模拟结果表明:球形面喷涂喷雾流场形态与平面喷涂喷雾流场形态在扩散区基本相同,但在成膜区球形面喷雾流场气相速度更大、覆盖范围更广;喷雾流场中的大粒径液滴和中等粒径液滴是形成涂料液膜的主要来源;球形面喷涂涂膜轴向投影为椭圆的球面,平面喷涂涂膜为椭圆面,两者涂层厚度均沿椭圆径向方向递减;球形面喷涂涂层厚度比平面薄,涂膜分布范围比平面小,涂料涂着率比平面低,但涂层均匀性比平面好;随着球形面直径增大,球形面喷涂涂膜覆盖范围逐渐扩大,涂层厚度增大,涂着率增大,涂层厚度均匀性增加.喷涂实验验证了球形面喷涂成膜特性.     

带内嵌固体的不可压缩气液两相界面流数值模拟方法

将水平集方法与浸没边界方法相结合,建立了一个模拟带内嵌固体的气液两相界面流的数值方法.该方法在固定的规则网格下采用水平集函数捕捉气液交界面,采用改进直接力形式的浸没边界方法处理流体与固体的相互作用.在改进的直接力格式中,基于描述流体-固体相的另一个水平集函数设计了一个速度插值算法,以计算流体与固体的相互作用力.最后,应用所提出的数值方法分别模拟了气泡和液滴撞击内嵌固体平板以及球形固体的过程,给出了液滴与气泡的变形和运动细节.数值模拟结果与已有的实验观测结果吻合较好,证明了所提出的方法的正确性.     

双液滴撞击固壁及液膜问题的三维SPH模拟

通过表面力张量的梯度离散合理引入表面张力效应,并以方形液滴的振荡问题为例,验证了表面张力模型的有效性。基于光滑粒子动力学(SPH)方法,对双液滴相继撞击固壁及液膜问题进行了三维数值模拟,并通过与实验结果的比较验证了方法的有效性,分析了液滴间垂直距离对流动过程的影响,精细地捕捉了液滴产生"皇冠"状水花并发生飞溅、不连续液面的流动过程。数值结果表明:SPH方法能够有效而准确地描述三维双液滴撞击固壁及液膜问题的自由面变化特征,SPH方法对处理自由表面大变形问题具有较好的优势。     

单液滴撞击不同黏度液膜特性研究

为了更好地理解单液滴撞击不同物性流体湿壁面现象,采用激光诱导荧光(laser induced fluorescence,LIF)方法研究了不同入射液滴韦伯数、无量纲液膜厚度及液膜黏度对撞壁现象的影响规律.研究表明,液滴撞击后液膜可分为稳定冠状、飞溅冠状和剧烈飞溅冠状3种形态,入射液滴韦伯数越大,液膜形态变化越剧烈.相同液膜黏度和无量纲液膜厚度下,无量纲冠顶高度随入射液滴韦伯数的增大而升高,且韦伯数越大,到达冠状顶点所需时间越长,冠状维持时间越久.保持入射液滴韦伯数和无量纲液膜厚度不变,随液膜黏度升高,无量纲冠顶高度降低,且到达冠状顶点的时间提前,冠状维持时间缩短;保持入射液滴韦伯数和液膜黏度不变,随无量纲液膜厚度增加,无量纲冠顶高度先升高后降低,但冠状达到顶点的时间以及冠状维持时间均持续增加.相同无量纲液膜厚度和液膜黏度下,无量纲冠顶直径随入射液滴韦伯数的增大而增大.保持入射液滴韦伯数和无量纲液膜厚度不变,无量纲冠顶直径随液膜黏度升高而降低;保持入射液滴韦伯数和液膜黏度不变,无量纲冠顶直径随无量纲液膜厚度的增大而降低.根据试验数据拟合出了冠状形态的临界韦伯数与无量纲液膜厚度的关系式,以及无量纲冠顶高度和冠顶直径与入射液滴韦伯数的关系式.     

喷淋冷却器内液滴撞击液膜的传热数值模拟

液滴撞击液膜是喷淋冷却过程中的常见现象,利用欧拉多相流模型与连续表面力模型模拟了液滴撞击液膜的传热过程,其中液滴撞击液膜的飞溅规律与实验结果一致.分析了液滴撞击液膜飞溅半径与飞溅高度的变化规律,并进一步分析了撞击速度、液滴直径、液膜深度、壁面温度对液滴-液膜撞击传热量的影响,结果表明增加撞击速度、液滴直径、液膜深度有助于提高喷淋冷却的效果.     

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。     

Hydrophobic mechanism and criterion of lotus-leaf-like micro-convex-concave surface

According to the principle that the contact angle of liquid droplet always increases on a limited liquid-solid interface,it is suggested that the integration of many small-size limited liquid-solid interfaces results in the increase of the hydrophobicity of lotus-leaf-like micro-convex-concave surfaces.Mathematical equations of the stability of liquid-droplets on the surface of lotus-leaf-like structure were established.The relationship between the theoretical critical-radius of the void of micro-convex-concave surface and the nature of the solid and the liquid was drawn.The three conditions of realizing hydrophobicity were described.The result of computation has shown that when the radius of the void of micro-concave-convex surface is less than the theoretical critical-radius r c,the droplets may always be in a stable state on the solid surface with the contact angle greater than 90°.Theminimum area of the liquid-solid interface and low surface energy of solids are important factors in realizing hydrophobicity.The effective work of adhesion W a ’ was proposed as a criterion for measuring the hydrophobic ability of the solid surface.     

有压输水管道系统含气水锤研究

通过模型试验研究有压输水管道系统阀门关闭时间对汽化时间和弥合水锤压力的影响,管道中的含气量对弥合水锤压力的影响．研究结果表明,在有压输水管道系统中,弥合水锤压力与汽化时间的大小有密切关系,计算机数据采集的频率对水锤压力的波形有明显影响．建立了含气水锤的气泡一离散数学模型并进行了数值计算,数值计算结果与试验测试值是吻合的．     

基于格子玻尔兹曼的润湿性对降压效果的研究

改变油藏润湿性和降低油水界面张力是解决低渗/特低渗油田注水压力高问题的有效方法。而室内驱替实验时,表面活性剂浓度不仅影响油水界面张力,还会影响岩石表面润湿性能,无法准确评价表面活性剂的润湿性能对降压效果的影响。格子Boltzmann方法通过控制流体和固体间作用参数能够独立控制界面张力大小,并能够模拟任意接触角变化。因此,基于格子Boltzmann方法,应用二维平板模型,考虑粗糙表面,设置微观梯形结构,研究了毛管数、邦德数及黏度比等不同无量纲数条件下润湿性改变对降压率的影响。结果表明,毛管数越小,邦德数越大、黏度比越大、接触角越小,降压率越高、降压效果越明显;接触角存在一个最佳范围,超过此范围继续降低接触角,降压效果不明显;对于多孔介质,改变润湿性对降压率影响比单通道更加明显。     

柔性贮箱内液体晃动的分析模型

研究了贮箱内液体晃动建模中贮箱的柔性与刚性、液体自由面的晃动与非晃动之间的差别．利用液体晃动特征模态和容器结构振动特征模态将液体晃动和弹性结构振动这2个相互耦合的微分方程边值问题进行离散，从而导出了液固耦合系统的动力学方程、相应的液固耦合系统固有频率方程以及液体晃动对容器和充液容器系统对基座的作用力主矢主矩的计算表达式．通过数值计算，比较了刚性贮箱和柔性贮箱之间在液体晃动频率和晃动作用力主矢主矩上的差异；液体引入表面波假设与不计表面波动的柔性壁贮液容器在结构振动频率和作用力主矢主矩上的差别．通过对柔性贮箱内液体晃动动力学模型的无量纲化，得到了确定该动力学模型的3个基本参数，数值研究了这3个基本参数对系统固有频率、系统响应力主矢主矩的影响．     

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.     

水击谐波条件下乳化油液滴积聚过程影响因素初探

根据乳化油液滴的形成过程和其运动状态的特点,选择和控制适宜的破乳条件促进乳化液滴的积聚,可以实现乳化油液的有效破乳。通过对W/O型乳化油液滴在水击谐波场力作用下的过程进行分析,发现在水击谐波波节的±λ/4范围内,分散相液滴经过一定的时间发生了积聚,但影响分散相液滴相互聚集的因素多且又复杂。通过由理论分析和试验结果初步确定了乳化油液滴积聚过程的主要影响因素,其中随着水击谐波频率、油液速度的增大,积聚过程加快,控制在水击谐波频率为10Hz条件下,液滴积聚效果较佳。而随着连续物相的黏度系数增大,液滴积聚的时间增加,积聚过程反而降低,控制连续相的黏度系数在1.0×10-3 Pa·s左右,液滴积聚效果较为理想;同时发现乳化油液滴粒径的大小对积聚过程也产生一定的影响,因此积聚过程不能忽略乳化油液滴惯性力的作用。控制好合适的物性参数可以实现分散相液滴的积聚和聚结,为深入研究乳化油液的水击谐波破乳脱水奠定基础。     

环管反应器内液固两相流的数值模拟

为了对环管反应器内液固两相的流动形态进行研究,建立以颗粒动力学为基础的Euler-Euler双流体模型。在浆液流速远大于自由沉降速度的情况下,模拟不同浆液入口速度时的环管反应器上升段压力降,同时对管道内液固两相流中的一些重要参数进行数值研究：在入口液固两相体积分布均匀的情况下,环管反应器上升段、弯管段以及下降段液固两相体积分布和液固两相速度均不一样,在弯管段由于离心力引起管道内二次流,使得固相颗粒甩向弯管的外侧壁,引起固相体积分数在弯管外侧壁明显增大,管道内固体颗粒相分布不均。在浆液速度v=3m.s-1时,液相和固相的速度有一定的速度差,随着入口速度增大,速度差变小;当浆液速度v=7m.s-1时,固体颗粒相速度分布与液相速度基本相同,两者之间的滑移速度可以忽略。计算结果与传统经验公式的比较表明模型能有效地描述环管反应器内压力降和反应器内浆液流动形态。