液滴在化学异构表面上侧向弹跳的计算机模拟研究

液滴撞击润湿性不同的表面会产生不同的动态行为,数值模拟是研究该现象的一种有效方法.采用基于化学势的晶格Boltzmann方法,通过调整接触角来改变固体表面的润湿性,对液滴撞击单一接触角的疏水表面以及接触角分布不同的疏水表面所产生的动态行为进行模拟和分析.当给疏水表面施加单一接触角时,液滴的弹跳高度随表面接触角的增大而增...     

液滴在非均匀润湿表面上的动力行为

用一种改进的格子Boltzmann方法(LBM)两相流模型模拟了三维液滴在非均匀润湿表面上的动力学行为.该模型在数值精度和稳定性上都有很大改善.在几种不同的非均匀润湿表面上,分析了液滴的铺展行为和运动过程.通过对液滴分裂过程中速度场的分析,阐明了液滴在润湿梯度作用下的运动和分裂机理.     

基于液滴局部轮廓的接触角测量方法

为了实现超疏表面上液滴的接触角测量,提出了基于液滴局部轮廓的接触角测量方法,通过超疏水表面的接触角测量实验对所提出的测量方法进行了验证。结果表明:基于液滴局部轮廓的接触角测量方法能有效稳定地测量出超疏水表面上的液滴接触角值;实施提出的接触角测量方法时需要测量点均布在液滴高度的2/5范围内的液滴轮廓上;基于液滴局部轮廓的接触角测量方法中接触点的选择误差对接触角测量结果的影响是可控的。可见基于液滴局部轮廓的接触角测量方法可用于表征表面的润湿性能。     

基于CUDA的晶格Boltzmann并行算法的综合优化设计

本文在CUDA框架下设计与实现基于GPU的晶格Boltzmann方法(LBM)的并行算法.为进一步提高计算效率,本文分别研究几种典型的优化策略对计算效率的影响,并给出了一种集多优化策略为一体的综合优化解决方案.以圆管内Poiseuille流为算例的实验表明,采用新综合优化方案设计的LBM并行算法能够获得更高的计算效率.     

用晶格Boltzmann方法模拟动脉分叉流场

简要介绍了晶格Boltzmann方法(LBM),它是模拟流体流动以及为复杂物理现象建模的一个新工具,比传统的数值模拟方法有许多独特的优点,特别是在处理复杂边界方面.并应用LBM对动脉分叉的流场在不同雷诺数情况下进行模拟,给出了速度、剪切应力和压力在分叉处的分布,并且分析了分支管内流体分离区的存在.流体在分离区内几乎处于停滞状态,剪切率非常小,容易在此处形成动脉粥硬化.     

晶格Boltzmann方法模拟流体在三维圆管的流场

简要介绍了三维D3Q19晶格Boltzmann方法(LBM)及其常见几种的边界条件,并通过模拟有精确数学分析解的三维圆管的流场分布,证明了LBM方法可以精确模拟流场的分布,且算法简单、边界易处理、适合并行处理等,还给出LBM在不同边界条件和格子数的模拟精度.结果显示Mei等改进的曲线边界条件能够提高模拟精度,而反弹边界条件尽管算法简单且易处理,但模拟精度要低一个数量级.模拟中,应根据所取的弛豫时间和入口、出口之间的压强差选择合适的格点数,格点数太少影响模拟精度,太多不仅增加计算量,而且也不会提高模拟精度.     

用晶格Boltzmann方法研究微血管脉动流中悬浮颗粒运动特征的转变

用二维晶格Boltzmann方法研究球形刚性悬浮颗粒在微血管脉动流中的迁移运动.悬浮颗粒的直径与人体正常红细胞的尺寸相当,微血管的直径是颗粒直径的四倍,血浆被看作牛顿流体,粒子边界的流体作用力用压力张量积分法计算.模拟结果显示,当液体流速与正常血液流速相当时,Segré-Silberberg效应不会出现,只有当液体流速...     

动态接触角对微米液滴冲击平板的影响

针对喷雾冷却,应用VOF(volume of fluid)模型,使用静态接触角、实验动态接触角、Kistler模型和Blake模型4种方法来处理动态接触角,模拟了单个μm量级的液滴冲击未加热平板的流动情况,并分析了液滴参数对铺展的影响。结果发现:采用Blake模型模拟的结果与已有的实验结果符合得最好;模拟中根据铺展速度直接计算出并作为条件赋值的角度并不一定等于视在接触角;液滴自触壁起依次受惯性力、粘性力和表面张力主导;We数越大,最大铺展直径越大,惯性力起主导作用的时间越长,液滴达到最大铺展、发生回弹的时间越晚,液滴铺展的特征时间越小于液滴演化的特征时间;粘性力对小液滴所起的作用较大,表面张力对大液滴所起的作用较大;μm量级的液滴反弹并不剧烈,与mm量级的液滴有很大区别。     

基于液滴轮廓割线的纤维接触角测量方法模拟研究

纤维的润湿性能是制约其在材料领域应用的一个重要因素,开展纤维润湿性能的研究是材料研究领域的一个重要工作。针对纤维润湿性能表征中使用的割线法进行数值模拟分析,考察割线法的可实施性及其测试精度的提升方案。经过分析发现,采用割线对切线进行近似处理时需要保证割线的相对长度(a/z_(max))在0.05到0.07的范围,此时通过优选测量液滴的大小可以将测量误差控制在±2.5°以内。为了方便研究结果的应用,还提出了一种基于液滴轮廓割线的纤维接触角测量方案。研究结果可用于指导一般工程技术人员在没有专门的仪器及软件的情况下开展纤维润湿性能的研究。     

两相格子Boltzmann方法的液滴冲击流动液膜数值模拟

基于最新的两相格子Boltzmann模型(Lee模型)在数值方法上进行了改进,进一步提高了模型在大密度比下的数值稳定性。基于改进后的模型首先研究了二维液滴冲击静止液膜,计算得到的溅射根部铺展半径与实验结论一致吻合,从而验证了改进后模型的正确性。进一步数值模拟了液滴冲击流动液膜的溅射过程,考虑了不同的液膜液滴速度比和液膜相对厚度对流动过程的影响。计算结果与冲击静止液膜的计算结果和实验结论进行了对比,总结了溅射过程中溅射铺展半径和溅射高度随时间的变化规律,论述了流动现象产生的内在机理。     

粗糙表面液滴表观形态研究

液滴在粗糙表面的表观形态及影响其润湿性转变的因素是十分复杂的．一般来说,液滴在表面的接触形态是其表面润湿特性的直接反映．近来,通过对蒸汽凝结条件下超疏水表面液滴形态的研究,进一步加深了人们对粗糙表面润湿特性的理解．人们通过对不同条件下微结构粗糙表面润湿特性的研究,证实了除Cassie和Wenzel模型外,尚有第3类液滴表观状态的存在．我们对实验数据分析发现,粗糙表面的润湿性可以由液滴在投影面上与固,液／气三相接触的面积比来衡量,提出了一种新的液滴表观接触角的通用计算模型,并对比文献数据,证实了其对表观接触角的预测．     

基于晶格Boltzmann方法的接触角实时测量研究

接触角在表面湿润、毛细现象和移动接触线等问题中是基本的特征量。虽然数值计算中已经可以有效地模拟接触角现象,但是在动态模拟中,接触角还不能被实时地精确测量。基于化学势晶格Boltzmann方法,本文设计一种几何的方法实时测量接触角。当忽略重力的影响时,该方法计算结果与球冠模型的理论预期保持一致,而且不受液滴大小的影响;当考虑重力影响时,虽然液滴呈现明显的变形,但是测量所得的微观接触角保持不变,与理论预期相符。当基板倾斜时,液滴的前进角逐渐增大,后退角逐渐减小,接触角迟滞越来越大,而且能够被实时地测量。     

基于格子Boltzmann方法的两液滴相溶模拟

原多组分Shan-Chen模型在模拟气液流动时受到密度比的限制,经过测试,该模型在模拟气液流动时最大密度比为50左右。本文提出了利用改进后的多组分Shan-Chen模型模拟密度比为175的两液滴相溶,模拟结果与实验结果相符。     

接触角滞后现象的理论分析

通过引入“滞后阻力”的概念,分别用力学方法和热力学方法导出固体表面上液滴平衡时接触角应满足的条件;定性地给出了表面湿润性和前进接触角与后退接触角同表面粗糙度的关系,分析了前进接触角和后退接触角的物理意义;由此给出了接触角滞后现象的一种合理解释．本的研究为汽液相变传热过程中的沸腾核化、临界热负荷、最小热流密度、珠状凝结等现象的深刻认识,开拓了新的思路,传统研究中对粗糙度影响的复杂定量化测量描述也可转化为用接触角单一参数表征和描述的简化方法．因此本的认识对研究沸腾和凝结传热有重要的现实意义．     

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。     

剪切流场中液滴形变模型的理论研究

从力学的角度出发,在由两个同心圆筒形成的旋转剪切流场中,分析油水乳化液中分散相液滴的受力及形变,推导出分散相液滴受力与液滴形变的相互关系。提出了剪切流场中液滴形变的三维力学模型,初步建立了拉伸率、收缩系数和剪切应力之间的关系。结果表明,如果测得液滴破裂的临界拉伸率,就很容易求得液滴破裂的临界剪切应力,从而可以应用分散相液滴的拉伸率或收缩系数来分析剪切对油水分离特性的影响。     

用晶格Boltzmann方法研究激发介质中时空混沌的产生与控制

采用晶格Boltzmann方法,通过计算机数值模拟,研究激发介质中时空混沌的产生与控制。结果发现激发介质螺旋波的失稳属于多普勒失稳;螺旋波破碎成时空混沌前出现波头螺旋式运动;处于时空混沌态的系统各个位置具有相同的振幅谱;适当频率的正弦振荡信号可有效地控制时空混沌态。     

接触角测试的量高法的适用范围

量高法是接触角测试的一种简便的测试方法,在工程和研究中得到广泛应用。该方法基于液滴的球形假设,决定其仅有有限的适用范围。通过数值模拟的方法研究量高法所引起的接触角偏差,从而考察量高法的适用范围并给出接触角修正的方法。研究发现:采用量高法计算的接触角与真实接触角有很大的偏差,这种偏差在超疏水表面上的接触角测量中尤为明显,可达20°;偏差范围决定于液滴的性质、表面的润湿性能和液滴的体积,液体表面张力小、接触角大和液滴体积大将导致大的偏差。在超疏水或超疏油表面研究中,为精确表征表面的润湿性能,需要对量高法进行偏差修正,提出了一种用于偏差修正的方法,通过该方法可精确确定出真实接触角。     

牛顿流体中表面活性剂对浮力驱动的单液滴动力学行为的影响研究

研究了不同粒径单液滴在去离子水中和加入表面活性剂的去离子水中的形变、上升速度和曳力系数等动力学参数,液滴当量直径范围290mm