纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究

纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.     

纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究

纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.      

Oldroyd-B黏弹性液滴撞击弯曲壁面的数值研究

液滴撞击弯曲壁面现象广泛存在于冶金、化工和航空航天等领域, 在某些场景下, 液滴混入高分子聚合物后会表现黏弹性特性, 为了进一步认识液滴黏弹性对撞击弯曲壁面的影响, 对黏弹性液滴撞击弯曲壁面的过程进行数值模拟研究. 研究基于相场方法和格子玻尔兹曼(LBM)方法, 采用应力场分布函数求解Oldroyd-B本构方程, 并施加适用于弯曲壁面的接触角模型, 发展了固−液−气三相黏弹性流体模拟方法, 对Oldroyd-B黏弹性液滴撞击弯曲壁面问题进行数值模拟, 主要研究了黏度比$ beta $、韦伯数We和壁面接触角$ theta $对撞击过程的影响. 结果表明: 撞击过程主要包括4个阶段: 运动阶段、铺展阶段、拉伸阶段和撕裂阶段. 黏度比$ beta $越低, 液滴在铺展拉伸阶段动能衰减越慢, 转化的表面能更多, 但更早进入撕裂阶段, 液滴撞击弯曲壁面后, 更容易脱离壁面. 韦伯数We较小时, 液滴主要在壁面处附着或反弹; We较大时, 液滴会撕裂并脱离壁面, We越大, 液滴在铺展拉伸阶段动能衰减越快, 进入撕裂阶段更慢. 壁面的亲疏水性会影响液滴最终的状态, 疏水性越高, 对铺展阶段的阻碍作用越强, 液滴越容易发生撕裂和脱离.     

液滴撞击超疏水壁面反弹及破碎行为研究

液滴撞击壁面时,壁面亲水性对液滴撞击壁面后的变化历程具有重要的影响。利用相界面追踪的复合Level Set-VOF方法对液滴撞击超疏水壁面的运动进行了研究。研究结果表明,撞击速度较小时,液滴撞壁后发生反弹;撞击速度较大时,液滴撞壁后会发生破碎现象;初始粒径的增大和表面张力的减小,有利于液滴撞壁后产生铺展破碎现象;撞击角度对撞壁后的液滴行为具有较大的影响。通过数值模拟,给出了一定条件下液滴垂直及倾斜撞击超疏水壁面反弹及破碎的临界条件。     

强磁场影响下镓液滴撞击固壁的实验研究

在材料的电磁冶金过程及磁约束核聚变装置中, 金属液滴在磁场和壁面温度影响下的撞击过程表现出复杂的动力学特性. 本文对水平磁场作用下液态镓(Ga)液滴撞击等温和过冷壁面的铺展和回弹特性进行了实验研究. 采用高速相机拍摄液滴撞击过程中轮廓的变化, 通过图像处理获得不同磁场强度、不同撞击速度和不同底板温度下的最大铺展因子、回弹过程中的最大高度以及产生的二次液滴的半径和速度. 碰撞速度由0.45 ~ 1.8 m/s, 磁场强度从0 ~ 1.6 T, 底板温度为30 °C, ?20 °C和?10 °C. 基于实验结果分析了磁场和壁面温度对液滴铺展和回弹的影响规律. 实验结果表明, 液滴撞击等温壁面和过冷壁面的最大铺展因子随We的变化均与理论预测关系式一致. 液滴撞击等温壁面的情况下, 不同的We下, 出现不同的回弹现象. 磁场抑制了平行于磁场方向的液滴铺展和回弹过程中二次液滴的产生, 而对回弹过程中的液滴在平行磁场方向上有拉伸作用. 液滴撞击过冷壁面时, 在一定的We值范围内, 同样会出现二次液滴分离现象, 此时产生的二次液滴的速度较小. 磁场的增强和We的增大都会导致液滴在高度方向的振荡减弱, 加速凝固过程.      

液滴撞击具有浸润性分布的倾斜固壁铺展行为的格子Boltzmann研究

采用基于单组分多相伪势模型的格子Boltzmann方法,模拟了三维液滴撞击左右两侧浸润性不同的倾斜固壁的铺展过程,获得了液滴在壁面两侧的铺展因子、相对铺展宽度、相对高度和液滴运动速度随时间的变化情况,研究了壁面浸润性分布和壁面倾斜角度对液滴铺展过程的影响．结果表明,液滴在倾斜壁面的铺展过程受到重力和表面力的综合作用,重力影响液滴的铺展和沿壁面向下的滑动,壁面浸润性分布影响液滴向壁面亲水侧横向移动．     

双液滴同时撞击液膜流动及换热过程数值模拟

液滴撞击液膜对换热特性及液膜形态变化具有较大影响,对其研究有助于提高机载喷雾冷却性能,促进航空工业应用与发展。采用CLSVOF方法模拟了双液滴同时撞击液膜的现象,在不同液膜厚度、液滴水平间距和重力加速度工况下,研究了液膜形态演变过程及特性,探索了双液滴撞击液膜后中心射流的发展规律,分析总结了液膜与高温壁面的换热特性。结果表明,液膜厚度越大,中心射流上升速度越慢,射流发生断裂时刻越晚,撞击后产生的液膜回缩对壁面换热影响较大;液滴水平间距越大,中心射流上升速度越慢,增大液滴间距不改变壁面热流密度变化的趋势;重力加速度越大,中心射流上升速度越慢,射流发生断裂时刻越早,重力加速度对壁面换热影响较小。     

剪切变稀流体液滴撞击疏水表面回弹现象及最大铺展的研究

非牛顿流体液滴撞击固体表面的行为广泛存在于多种工农业生产中, 然而目前相关研究主要关注牛顿流体, 非牛顿流变特性对液滴撞击动力学的影响机制还有待探索. 本文研究了纯剪切变稀流体(质量分数≤ 0.03%的黄原胶水溶液)液滴撞击疏水表面后的最大铺展及回弹行为. 通过高速摄像技术捕获液滴撞击疏水表面的运动过程及形态变化, 研究了液滴的铺展回缩过程. 实验结果表明, 在相同We下, 剪切变稀特性对液滴撞击疏水表面后的铺展阶段影响很小, 但对回缩阶段影响很大. 黄原胶浓度增加使得液滴依次表现出部分回弹、完全回弹和表面沉积三种不同的回弹行为. 利用能量守恒定律推导出了液滴能在疏水表面上回弹的临界无量纲高度ξ_c理论值. 发现牛顿流体与非牛顿流体液滴最大无量纲高度ξ_max均符合标度律ξ_max ~ αWe斜率随黄原胶浓度增大而减小. 基于有效雷诺数Re_eff, 提出了一种有效黏度μ_eff表达式, 并据此建立了剪切变稀流体的最大无量纲直径β_max预测模型. 该模型在较广We区间与实验测量值取得了良好一致.      

用格子Boltzmann方法模拟液滴撞击固壁动力学行为

首次用格子Boltzmann方法中的伪势模型对液滴撞击固壁的动力学行为进行了数值模拟.详细研究了液滴在壁面上的流动状态以及各种因素对撞击过程的影响.通过数值模拟得到:壁面的可润湿性越小,液滴越容易发生反弹,液滴的回缩速度越快;液滴的撞击速度越大,所得到的相对直径越大,回缩速度越快;液滴的粘性越小,所得到的相对直径越大;液滴的表面张力越大,液滴越容易发生反弹现象.另外,液滴的最大相对直径与We数满足一定的线性关系,这些结果与前人的理论预测和实验结果完全吻合.     

倾斜壁面浸润性梯度驱动液滴运动过程的格子Boltzmann模型研究

基于介观模型的多组分伪势格子Boltzmann方法,模拟了倾斜壁面浸润性梯度驱动液滴的运动过程,研究了壁面浸润性梯度、壁面倾斜角度对液滴运动过程的影响.结果表明,对于一定倾斜角度的壁面,当壁面上浸润性梯度足够大时,液滴能够克服重力的作用实现“爬坡”;液滴在运动过程中,其前进及后退接触角与当地静态接触角间存在差值;增大壁面浸润性梯度时,液滴能够获得更快的加速,并且前进及后退接触角与当地静态接触角之间的差值也随之增大;增大壁面倾斜角度时,液滴的运动受到阻碍,前进及后退接触角与当地静态接触角的差值小幅减小.     

Lattice Boltzmann simulation of multiple droplets impingement and coalescence in an inkjet-printed line patterning process

Three-dimensional computations on the basis of the index-function lattice Boltzmann method are performed to simulate the process of multiple droplets impinging and coalescing into a line pattern on a solid substrate. The employed calculation model is validated by theoretical calculated values and experimental data from the literature. The influences of the equilibrium contact angle, droplet spacing and impinging velocity on the droplets impingement and coalescence behaviours are investigated. Numerical results demonstrate the width of the formed line depends significantly on the equilibrium contact angle and droplet spacing. The droplet spacing plays a significant role in controlling the coalescence moment of multiple droplets. The resolution of the printed pattern can be slightly increased with increase in impinging velocity.     

Two-phase boundary dynamics near a moving contact line over a solid

Consideration is given to the nonlinear problem on a shape of boundary between two viscous liquids, of which one displaces the other one from a solid surface, the Reynolds number being rather low. An asymptotic theory of wetting dynamics is developed that is of the second order with respect to small capillary numbers and valid for any ratio of viscosity coefficients of the media. A formula describing the dynamic contact angle (i.e. the inclination angle of the tangent to the interface) as a function of a distance to the solid is derived. Limitations on the angles for which the second-order theory is valid are shown. If the phase 2 viscosity is zero, the asymptotic second-order theory is valid for angles below 128.7°. A theory applicability domain depends on the ratio of viscosity coefficients. The applicability domain is not limited if the viscosity coefficients differ by a factor of less than four.     

The wetting problem of fluids on solid surfaces. Part 1: the dynamics of contact lines

The understanding of the spreading of liquids on solid surfaces is an important challenge for contemporary physics. Today, the motion of the contact line formed at the intersection of two immiscible fluids and a solid is still subject to dispute. In this paper, a new picture of the dynamics of wetting is offered through an example of non-Newtonian slow liquid movements. The kinematics of liquids at the contact line and equations of motion are revisited. Adherence conditions are required except at the contact line. Consequently, for each fluid, the velocity field is multivalued at the contact line and generates an equivalent concept of line friction but stresses and viscous dissipation remain bounded. A Young-Dupré equation for the apparent dynamic contact angle between the interface and solid surface depending on the movements of the fluid near the contact line is proposed.Received: 5 June 2001, Accepted: 24 May 2003, Published online: 29 July 2003PACS: 47.17., 47.50, 66.20, 68.08, 83.50     

改进多松弛伪势模型模拟附壁空化泡溃灭演化和壁面润湿性机制的研究

结合改进后的多松弛伪势模型, 使用格子Boltzmann方法对附壁空化泡溃灭演化过程进行了数值模拟及分析, 着重研究了壁面润湿性对附壁空化泡溃灭的影响规律. 首先, 对改进后的多松弛伪势模型开展了热力学一致性验证, 通过对比气液共存密度的数值解与解析解, 选取了满足热力学一致性需求的参数, 使得模型能够实现大密度比多相流动的数值计算; 然后, 对不同壁面润湿性条件下的附壁空化泡平衡接触角进行了数值模拟, 分析了壁面润湿性与附壁空化泡平衡接触角的关系, 分析表明: 随着壁面与流体相互作用强度的增大, 平衡接触角逐渐增大, 壁面润湿能力逐渐减弱. 进一步, 对附壁空化泡的溃灭问题进行建模, 处理了相应的边界格式, 完成了附壁空化泡溃灭过程的数值计算, 并分析了不同壁面润湿能力对附壁空化泡溃灭的影响规律; 当初始空化泡内外压差及形态相同时, 增强壁面疏水性缩短了空化泡溃灭的时间. 特别是, 壁面润湿性由亲水逐渐变为疏水时, 最大溃灭压力先降低后又逐渐升高, 而最大溃灭速度随着壁面疏水性的增强而持续升高. 研究结果揭示了壁面润湿性对附壁空化泡溃灭的影响规律, 为进一步抑制附壁空化泡溃灭的破坏效应及利用空化泡溃灭效应实现工程应用提供了理论指导.     

空化泡-边界相互作用研究进展综述

结合改进后的多松弛伪势模型, 使用格子Boltzmann方法对附壁空化泡溃灭演化过程进行了数值模拟及分析, 着重研究了壁面润湿性对附壁空化泡溃灭的影响规律. 首先, 对改进后的多松弛伪势模型开展了热力学一致性验证, 通过对比气液共存密度的数值解与解析解, 选取了满足热力学一致性需求的参数, 使得模型能够实现大密度比多相流动的数值计算; 然后, 对不同壁面润湿性条件下的附壁空化泡平衡接触角进行了数值模拟, 分析了壁面润湿性与附壁空化泡平衡接触角的关系, 分析表明: 随着壁面与流体相互作用强度的增大, 平衡接触角逐渐增大, 壁面润湿能力逐渐减弱. 进一步, 对附壁空化泡的溃灭问题进行建模, 处理了相应的边界格式, 完成了附壁空化泡溃灭过程的数值计算, 并分析了不同壁面润湿能力对附壁空化泡溃灭的影响规律; 当初始空化泡内外压差及形态相同时, 增强壁面疏水性缩短了空化泡溃灭的时间. 特别是, 壁面润湿性由亲水逐渐变为疏水时, 最大溃灭压力先降低后又逐渐升高, 而最大溃灭速度随着壁面疏水性的增强而持续升高. 研究结果揭示了壁面润湿性对附壁空化泡溃灭的影响规律, 为进一步抑制附壁空化泡溃灭的破坏效应及利用空化泡溃灭效应实现工程应用提供了理论指导.

     

Liquid bridge force between two unequal-sized spheres or a sphere and a plane

Liquid bridge force acting between wet particles is an important property in particle characterization. This paper deals with liquid bridge force between either two unequal-sized spherical particles or a sphere and a flat plate under conditions where gravitational effect arising from bridge distortion is negligible. In order to calculate the force of the liquid bridge efficiently and accurately, expressions of liquid configuration and liquid bridge force were derived by building a mechanical model, which assumes the liquid bridge to be circular in shape between either two unequal-sized spheres or a sphere and a plane. To assess the accuracy of the numerical results of the calculated liquid bridge forces, they were compared to the published experimental data.     

Computations for a jet impinging obliquely on a flat surface

A SIMPLE-C algorithm and Jones-Launder k-ε two-equation turbulence model are used to simulate a two-dimensional jet impinging obliquely on a flat surface. Both the continuity and momentum equations for the unsteady state are cast into suitable finite difference equations. The pressure, velocity, turbulent kinetic energy and turbulent energy dissipation rate distributions are solved and show good agreement with various experimental data. The calculations show that the flow field structure of the jet impinging obliquely on a flat surface is strongly affected by the oblique impingement angle. The maximum pressure zone of the obliquely impinging jet flow field moves towards the left as the oblique impingement angle is decreased.     

Robust numerical analysis of the dynamic bubble formation process in a viscous liquid

The dynamics of bubble formation from a submerged nozzle in a highly viscous liquid with relatively fast inflow gas velocity is studied numerically. The numerical simulations are carried out using a sharp interface coupled level set/volume-of-fluid (CLSVOF) method and the governing equations are solved through a hydrodynamic scheme with formal second-order accuracy. Numerical results agree well with experimental results and it is shown that the sharp interface CLSVOF method enables one to reproduce the bubble formation process for a wide range of inflow gas velocities. From numerical results, one can improve their understanding of the mechanisms regarding the dynamics of bubble formation. For example, it is found that for some sets of parameters that the bubble formation process reaches steady state after several bubbles are released from the nozzle. At steady state, bubbles uniformly rise freely in the viscous liquid. It is observed that the fluid flow around a formed bubble has a significant role in determining the overall dynamic process of bubble formation; e.g. the effect of the fluid flow from the preceding bubble can be seen on newly formed bubbles.