加热基底上附壁液滴蒸发动力学实验研究

为了了解液滴表面热流型演变规律及其对蒸发速率的影响,采用稳态蒸发实验研究了加热基底上乙醇和水滴的蒸发过程。液滴半径固定在R=2.5 mm,高度变化范围为0.4至1.4 mm。结果表明,随着液滴高度降低,乙醇液滴表面出现了中心不均匀的温度波动、热流体波及Bénard-Marangoni流胞,而水滴表面则没有明显温度波动。随着基底温度升高,液滴内部热对流增强;随着液滴高度降低,乙醇液滴蒸发速率先减小、后增大,而水滴蒸发速率则无明显变化。实验结果证实热对流对液滴蒸发速率具有明显促进作用。     

加热基板上硅油液滴蒸发诱发的Marangoni对流失稳现象实验研究

实验观察了加热基板上0.65cSt硅油液滴蒸发过程Marangoni对流失稳现象及其演变规律,测量了Marangoni对流失稳的临界条件,分析了润湿半径和Ma数对液滴内Marangoni对流稳定性的影响。结果发现:只有当液滴的接触角减小到某一临界值以下时,液滴内才产生Bénard-Marangoni对流涡胞,涡胞呈"花瓣"状,液滴顶点处较尖细,三相接触线附近为圆弧形,涡胞相互挤压处呈直线形。随着蒸发的进行,涡胞变短变粗。涡胞数随润湿半径、Ma数的增大而增多。产生Bénard-Marangoni对流涡胞的临界接触角θ_c随Ma数的增大而增大。液滴边缘处始终为热毛细对流,无Bénard-Marangoni对流涡胞。     

极坐标下Marangoni应力对静止液滴蒸发过程的影响

通过推导液滴在蒸发过程中,边界是否考虑Marangoni应力作用时,其内部流场分布的极坐标解析式,并结合相应的球冠液滴模型,来描述液滴内部的流线分布情况,以及液滴在受到Marangoni应力作用时,极坐标下ρcosα=常数处速度随液滴高度的分布规律。并分别使用实验与数值模拟结果与解析结果进行对比,从而说明解析式的正确性。同时从液滴的流线的分布得出:液滴在蒸发过程中,其内部的流动速率在三相界面处最大,在靠近基板的中心处最小。受Marangoni应力作用的影响,液滴内部在其对称面上产生了环流,其方向在液滴底部是从液滴中心流向三相界面的,同时也说明了Marangoni对流可以抑制"咖啡环"效应。     

溶液液滴蒸发变干的环状沉积

液体蒸发驱动的颗粒自组装现象在许多的工业技术中有重要应用. 本文利用显微镜观测含有颗粒物质的液滴变干后留在固体表面的颗粒形成的环状沉积图案. 采用微米粒径的SiO₂小球水溶液液滴蒸发变干模拟咖啡环的形成过程, 结果发现液滴蒸发过程中接触线的钉扎是环状沉积的必要条件. 在液滴蒸发过程中颗粒随着补偿流不断的向液滴边缘移动, 聚集在接触线处形成环. 液滴蒸发变干后残留在液滴内部的颗粒数随颗粒质量分数的增加而增加, 可以达到单层的颗粒排列. 而玻璃衬底上的颗粒环在颗粒质量分数很小时, 形成单层排列, 且一排一排地生长. 蒸发过程中颗粒环由于液滴边缘的尺寸限制向液滴中心缓慢移动. 这会导致液滴中不同大小颗粒的分离. 关键词： 液滴 接触线 蒸发 颗粒     

毛细管内薄液膜轮廓和传热特性研究

本文认为毛细管的相变传热机理为液膜的导热和表面蒸发;表面蒸发受蒸汽温度、汽液界面的温度以及汽液压力差的共同控制。汽液流动机理为流动受脱离压力梯度、毛细力梯度支配。汽液相互作用机理为存在由于蒸发导致的动量转移切应力和由于汽液流速不同产生的摩擦切应力。提出的物理模型中较为全面地考虑了毛细管内传热、汽液流动及其相互作用。对毛细管半径和传热功率对薄液膜轮廓和传热特性影响程度的计算结果表明,随着毛细管半径的减小、传热功率的增大,蒸发界面区的长度会有所减小,这是针对微小空间得出的不同于常规情况的结论。     

受限胶体液滴蒸发过程中胶体颗粒沉积过程观察

亲水玻璃基片在掩模板的保护下, 通过喷涂超疏水层, 得到了被疏水层包围的圆形亲水区域. 胶体液滴在这一区域被很好地限制, 并且液滴体积可以在较大范围内变化, 体积的变化可以改变液滴与基片的表观接触角. 通过显微观察手段原位观察了表观接触角为疏水的受限胶体液滴蒸发过程中粒子沉积行为. 在整个蒸发过程中, 受限液滴边界被钉扎在亲疏水交界处. 粒子沉积过程中, 驱动粒子的液滴内部流动会发生变化. 粒子沉积图案形成过程由三种流体行为控制, 最初, Marangoni效应占主导作用, 驱动粒子在液滴表面聚集, 随之沉积到液滴边缘; 随着蒸发进行, 当接触角变小(<60°)时, 由于边界蒸发速度更快导致的毛细补偿流使得粒子直接向边界沉积. 在干燥的最后阶段, 亲水区域内的液层变得很薄, 只有一单层粒子存在于这一薄液层中, 蒸发继续进行时, 薄液层发生失稳使得粒子迅速聚集而形成网络化图案, 由于粒子间距变小, 球间的液桥毛细力也会参与到这一聚集过程中.     

切向流动作用下SCN-3wt% H2O枝晶定向生长过程研究

实时观察了切向流动作用下SCN-3wt% H₂O合金的定向凝固过程,研究了该合金枝晶生长方向、尖端半径、枝晶一次臂间距以及二次臂生长速度的变化规律.实验观察到能够代表枝晶尖端溶质边界层的“亮带”,该亮带在流动作用下的非对称性证实了切向流动能够改变枝晶前沿溶质的对称分布,使溶质边界层厚度沿背流侧向迎流侧逐渐减薄,枝晶生长发生迎流偏转,且偏转角度随抽拉速度的提高而减小.同时,流场与浓度场的耦合促进枝晶间的优胜劣汰,枝晶一次臂间距显著增大.固液界面处的强迫流动还能够引发相邻枝晶间环流,加速迎流处二次臂生长而抑制背流处生长. 关键词： 定向凝固 枝晶生长 切向流动     

三相流体的轴对称格子Boltzmann模型及其在Rayleigh-Plateau不稳定性的应用

基于多组分相场理论提出了一类模拟三相流体流动的轴对称格子Boltzmann模型.该模型利用两个粒子分布函数来捕捉三种不同流体之间的相界面,另一个粒子分布函数来求解流体动力学方程以获得流场信息.为了刻画坐标变换引起的轴对称效应,巧妙地设计了演化方程中平衡态分布函数和外力项分布函数,从理论上保证本文模型可以正确恢复三相流体系统的宏观控制方程,并且轴对称效应产生的源项中不包含任何复杂的梯度项,从而比现有的轴对称格子Boltzmann模型更加简单高效.首先通过模拟一系列轴对称多相流的基准算例,包括静态的双液滴、液体透镜的扩展和二元流体Rayleigh-Plateau不稳定性,来验证本文模型的有效性与正确性.接下来,利用该模型研究了三相流体的Rayleigh-Plateau不稳定性的增长过程,定量分析了波数和液柱半径比对复合液体线程破裂过程中界面动力学行为、界面破裂时间以及生成子液滴尺寸的影响.可以发现复合的液体线程在波数较大时破裂生成一个复合主液滴和卫星液滴,而在波数较小时可以生成更多数量的卫星液滴,这导致复合主液滴和卫星液滴的尺寸随着波数的增加呈现先增大而后减少的趋势.另外,我们发现内部流体...     

切向流动对偏晶合金定向生长机理的影响

研究了静态和切向流动作用下对二氯苯-丁二腈(DCB-SCN)偏晶合金的定向凝固过程.实验结果表明,静态条件下,DCB以小平面相方式生长,随着抽拉速度的提高,DCB-SCN偏晶凝固组织形貌发生液/固两相完全分离组织-规则纤维状共生组织-不规则弥散组织转变.施加切向流动作用后,DCB生长晶面出现胞状扰动,并且偏晶共生纤维间距随流速的增高而变大,但对于同一流速,仍然满足λV^0.5=常数.同时,切向流动能够细化弥散偏晶组织中第二相颗粒尺寸,这主要缘于流动引发的固液界面形态变化能     

轴对称受限射流冲击尖端障碍物流声特性

本文研究了障碍物位于流场不同位置时轴对称射流冲击尖劈障碍物流动和声学特性。应用大涡模型(LES)数值模拟了受限射流流动特性和FW-H方程数值积分求解了远声场噪声频谱和声压级特性,并与自由射流模拟结果进行对比分析。模拟结果表明当障碍物位于自由射流流场转折界面处,自由射流涡环配对失败,使得自由射流主要噪声源被破坏,受限射流声源为障碍物产生的偶极子声源;当障碍物位于自由射流流场充分发展区,自由射流主要声源涡环配对完成,声源为自由射流段四极子声源和障碍物产生的偶极子声源,且随着离喷嘴距离增加,障碍物处流体流动速度减小,远声场相同位置声压级值逐渐减小。     

进汽参数对汽轮机叶栅通道内自发凝结影响的数值分析

为准确描述汽轮机级内湿蒸汽凝结流动特性,采用双流体模型结合修正的均质成核和水滴生长模型,实现汽轮机初始成核级叶栅通道内非平衡凝结数值求解。通过焓损失系数与自由能理论进一步分析了进汽参数变化对汽轮机叶栅通道内湿蒸汽自发凝结流动的影响,结果表明:随着过热度的降低,非平衡凝结起始位置提前,非平衡凝结现象更剧烈,凝结产生的液相质量分数增加,热力学损失升高;进口湿度对水滴的生长和蒸发速率非常敏感,对凝结冲击位置有很大的影响;入口湿蒸汽液滴直径越大,阻碍相变的自由能壁垒越低,二次凝结现象越易发生,热力学损失越大,当湿度为0.01的液滴直径超过0.2μm时,均质成核的二次凝结现象逐渐发生;二次成核的临界水滴直径随着湿度的增加而增大。     

分离结晶过程中熔体热毛细对流的转变

为了了解微重力条件下新型分离结晶生长过程中熔体热毛细对流的基本特征,利用有限差分法进行了数值模拟,熔体深径比A取1和2,自由界面无因次宽度B分别取0.05、0.075和0.1.当熔体上表面为自由表面时,得到了分离结晶Bridgman生长过程中熔体热毛细对流的流函数和温度分布.计算结果表明:当Ma数较小时,在上下两个自由表面的表面张力的驱动下,熔体内部产生了两个流动方向相反的流胞,流动为稳态流动,随着Ma数的增加,上下自由表面速度增大,温度分布的非线性增加;当Ma数超过某一临界值后,流动将转化为非稳态流动;与熔体上表面为固壁时相比,A=1时的临界Ma数减小,而A=2时的临界Ma数增大;流动失稳的物理机制是流速的变化和阻力的变化之间存在滞后.     

勾形磁场对分离结晶法制备CdZnTe晶体的影响

为了了解勾形磁场对CdZnTe晶体生长质量的影响,利用有限元法对坩埚内的热量和动量传递过程进行了全局数值模拟。假定熔体和气相中的流动都为准稳态轴对称层流,研究了B_o(磁场轴线与晶体-坩埚界面的交点的磁场强度的轴向分量)为0 T,0.5 T,1.0 T,1.5 T,2.0 T,2.5 T,3.0 T时的CdZnTe晶体生长过程。结果表明:勾形磁场能有效抑制熔体内的流动,会产生由洛仑兹力、表面张力和浮力共同驱动的涡胞。随着磁场强度的增加,传热向导热型转变,熔体内最大流函数逐渐减小,抑制作用增强。     

液-液两相液层间传质过程的Rayleigh-Bénard-Marangoni对流特性

传质引发的Rayleigh-Bénard-Marangoni对流(RBM对流)对化工传递过程有着显著影响.但是,已有的相关研究多集中于气-液体系,并且有限的针对液-液体系的相关研究尚缺乏对RBM对流演化及其引发的界面扰动行为的深入分析.因此,本文基于阴影法设计搭建了竖直狭缝内液-液两相液层间传质过程的RBM对流特性可视化实验平台,并实验观测了水-甲苯-丙酮三元体系中丙酮组分扩散传质时出现的RBM对流结构以及其向下层水相主体的发展演变过程,探讨了水相丙酮初始浓度、甲苯相丙酮初始浓度以及甲苯层厚度对RBM对流特性和液-液界面形貌的影响.研究表明:在Rayleigh-Taylor不稳定性作用下,水相上层密度(重力)分层"界面"下凸沉降形成波浪形丘状"界面",并随着"界面"处密度与压力失调的加剧而演变成羽状流;因羽流区"界面"不同浓度梯度引起的传质特性差异,羽状流又可以演变成弱羽状流和强羽状流两种形态;当丙酮浓度梯度增大到一定程度后,近界面处短时间内产生大量RBM对流结构,且结构间相互影响增强而聚并成对流团,并随着传质过程的进行,逐渐演变成独立的强羽状流; RBM对流强度与上下液层丙酮浓度梯度大小呈正相关关系,且液-液界面粗糙度及其非稳态波动随着丙酮浓度梯度的增加而增大.     

极限重力下冲压发动机再生冷却中燃油流动及传热特性研究

为了了解重力水平对超燃冲压发动机再生冷却中航空燃油流动及传热特性的影响,本文采用有限容积法对不同重力水平下水平圆管内RP-3航空煤油的流动和传热进行三维数值模拟。水平圆管内径为1.8 mm,壁厚为0.2 mm,长为300 mm,管内工质为RP-3航空煤油,管壁受到q=400 kW/m~2的均匀热流密度加热。研究结果表明,根据重力水平的不同可将二次流流型沿管长的变化归纳为3种流型演变规律。0g时截面流型由入口段的汇流发展为源流,最终再次变为汇流;当重力水平增加至0.1g时,在管道轴线上方出现涡状流动,涡胞中心沿管长方向逐渐向下移动,最终流型转变为汇流;当重力水平增加至0.3g时,涡状流动涡胞中心位于管道轴线下方,沿着管长方向快速上移至轴线上方,最终发展至管道轴线下方。随着重力水平的增大,水平圆管轴线上方流体的湍动能逐渐增大,而轴线下方流体的湍动能却逐渐减小。流体湍动能受浮升力效应诱导二次流影响呈非对称分布。重力水平的增大能强化下管壁附近的对流换热,而抑制上管壁附近的对流换热,在上壁面出现了传热恶化现象。管壁平均对流换热系数会随重力水平的增大而增大。     

固体熔化过程中不同流动与传热机理分析

1引言随着激光加工技术的发展以及太空高新性能材料探索，具有自由表面的固液相变问题倍受关注[1]。由于从上方加热熔化问题，熔池内不易产生自然对流，因此常忽略了对流，传导作为唯一传热机理。但自由表面由于有温度梯度，势必存在Marangoni流的作用[2]，其结果可能将与传导模型有很大差别。本文将针对这类过程，考察浮升力、表面张力对固液界面的形状、位置及熔池流场的影响。计算中将固相、液相分开，分别采用相应的数学物理方程解决，边界通过移动边界能量守衡方程进行处理，揭示表面张力在熔化过程中的作用及影响。2数学描述与计算方…     

基于改进元胞自动机模型的三元合金枝晶生长的数值模拟

在二元合金元胞自动机模型的基础上,通过耦合多元合金热力学相平衡求解器PanEngine, 建立了三元合金改进的元胞自动机模型,可模拟初生相枝晶的生长过程. 模型考虑了曲率过冷和成分过冷对界面平衡溶质成分的影响,通过不同组元的无量纲溶质过饱和度方程和界面溶质守恒方程之间的耦合来求解界面生长速率,并通过PanEngine计算界面处的液相线温度. 采用本模型模拟了Al-7%Si-xMg三元合金自由枝晶的生长形态, 结果表明Mg含量的增加会抑制枝晶一次臂的生长和二次臂的产生.同时模拟了不同抽拉速度下 Al-7%Si-0.5%Mg合金柱状枝晶的竞争生长过程,随着抽拉速度的增大,柱状枝晶一次枝晶臂间距逐渐减小, 与Hunt理论模型符合较好.     

水平滚筒内二元颗粒体系径向分离模式的数值模拟研究

发展了考虑法向接触力、切向接触力和力矩、以及滚动摩擦力矩的三维三方程线性弹性-阻尼离散单元模型及计算程序，对薄滚筒内二元S型颗粒体系进行了数值模拟，发现采用本文的数学模型可以准确地预测出滚筒内二元S型颗粒流的分层现象.分析了影响滚筒内颗粒分层的因素，讨论了滚筒转速、颗粒装载率等参数对分层的影响，当转速较高时，滚筒内形成大颗粒在外、小颗粒在内、具有圆形界面的月亮模式，当转速较低时形成具有波浪形界面的花瓣模式，并且随着滚筒转速的逐渐降低，花瓣的数量逐渐增加，数值模拟结果与实验完全符合.模拟还得到了花瓣模式的形     

两相流中非平衡相变与平衡相变比定压热容差异的研究

本文以空气-水蒸气-水组成的两相流混合物为例,应用两相流及热物理理论,推导了有相变的两相流系统非平衡过程的比定压热容计算式,并对实际的空气-水蒸气-水两相流动的换热过程进行了数值模拟.计算结果揭示了比定压热容的变化明显受到水颗粒相变过程的影响,颗粒的半径越小,比定压热容变化越大.同时,平衡相变过程比定压热容计算的流体温度要高于非平衡相变过程,两者的差异随着颗粒蒸发过程的进行而逐渐增大,且靠近轴线的差异要比靠近壁面处的差异大,颗粒半径越小,两者的差异越小.     

高重复频率激光脉冲光束大小对吸收玻璃损伤特征的影响

针对高重复频率对吸收性滤光片损伤问题,研究了高重复频率(kHz量级)激光脉冲的光束半径大小对吸收玻璃的形貌特征和损伤机理.研究发现在总的激光作用个数、单脉冲能量和脉冲作用频率固定时,吸收玻璃的损伤特性发生很大变化:在光束半径较大时,激光能量分散,主要损伤形貌是熔化破坏;随着光束半径的减小,激光脉冲能量变得集中,热量的累积效果变得明显,逐渐变成熔化破坏和气化破坏;当激光光束半径小到一定程度,则会由于光强过大使得介质表面发生击穿而产生激光等离子体冲击波,同时由于热量沉积的集中使光束作用中心处产生超热液体,当满足相爆炸发生的条件时,气化物、液滴和固体颗粒的混合物会向外飞溅,在损伤凹陷的周围形成气化物、液滴的冷凝区和固体颗粒溅射区. 关键词： 激光诱导损伤 高重复激光脉冲 吸收玻璃 相爆炸