镓铟锡液滴撞击泡沫金属表面的运动学特性研究

常温下为液态的镓铟锡合金以其优异的导热性能在具有特殊要求的传热领域有着重要的应用价值,与传统流动介质相比较大的表面张力使得其产生的流动现象必有所区别.本文研究镓铟锡所形成的液滴撞击泡沫金属表面后所产生的铺展、回缩及回弹现象.采用高速相机拍摄液滴投影轮廓随液滴运动的变化过程,并通过图像处理获得不同撞击速度、底板表面孔径下的液滴铺展系数、中心位置轮廓高度以及液滴回弹后在空中的振动特性.研究结果表明:具有较高表面张力的镓铟锡液滴的铺展系数随无量纲时间的变化在铺展初始阶段仍满足常规流体的1/2次幂关系,只在铺展后期与底板的无量纲孔径有关系;液滴的最大铺展系数在较小无量纲孔径底板大于在光滑镍板,且随底板无量纲孔径增大而逐渐减小;在回弹过程,由于底板孔隙结构的存在使得液滴回弹后在空中的振动呈现3种形态:规则的横向和纵向振动、带旋转的横向和纵向振动以及旋转振动;最后,通过对振动频率的拟合和分析,进一步拓展了传统振动频率理论公式在非规则振动过程预测中的应用.     

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.      

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.      

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.     

不同壁面条件下液滴撞击铺展特性的模拟研究

液滴撞击不同润湿性壁面的传热流动问题在自然界和工业生产中广泛存在。研究采用CLSVOF方法,引入描述壁面润湿特性的动态接触角,并考虑液滴物性参数随温度的变化,建立液滴撞壁模型,模拟研究液滴撞击流动行为,通过与实验对比验证,确定模型有效性。在此基础上,对传热作用下考虑壁面润湿性的液滴撞击问题展开研究,探讨壁面传热作用对液滴撞击铺展特性的影响。研究表明,在撞击过程中,液滴先铺展后逐渐收缩,与静态接触角模型相比,采用动态接触角模型所得的液滴流动特性与实验结果更加吻合;随着接触角增大,液滴在撞壁初期不易铺展,随后则易于收缩;虽然固液传热作用会影响液滴铺展直径,但不改变液滴的运动趋势。     

聚变堆相关的液态金属膜流初步实验研究

在磁约束核聚变堆的面对等离子部件设计中,液态金属锂膜流因具有带走杂质、保护面对等离子固壁等优点而被认为是优选方案之一. 然而,如何克服聚变堆中强磁场环境下产生的磁流体力学效应并形成大面积均匀铺展锂膜流动是目前亟需解决的问题.本文通过搭建室温液 态镓铟锡回路和高温液态锂回路,开展了两种不同特性的液态金属膜流实验, 并采用传统可视化方法获得了展向磁场存在时镓铟锡和锂在导电底板形成的液膜流动表面特征.实验结果 表明: 无磁场时,两种液态金属膜流流动表面波动特性与常规流体膜流均一致, 即随着流动雷诺数的增加表面波动变得更为混乱; 而展向磁场存在时,镓铟锡膜流表面波动变得更为规则, 且沿着磁场方向平行排列,表现为拟二维波动的特征; 而锂膜流却产生了明显的磁流体 力学阻力效应,表现为在流动方向局部产生锂滞留现象, 且滞留点随雷诺数增大向下游移动. 最后通过膜流受力分析,进一步阐述了锂膜流受到比镓铟锡膜流更为严重磁流体力学效应影响的原因.      

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．     

聚变堆相关的液态金属膜流初步实验研究

在磁约束核聚变堆的面对等离子部件设计中,液态金属锂膜流因具有带走杂质、保护面对等离子固壁等优点而被认为是优选方案之一.然而,如何克服聚变堆中强磁场环境下产生的磁流体力学效应并形成大面积均匀铺展锂膜流动是目前亟需解决的问题.本文通过搭建室温液态镓铟锡回路和高温液态锂回路,开展了两种不同特性的液态金属膜流实验,并采用传统可视化方法获得了展向磁场存在时镓铟锡和锂在导电底板形成的液膜流动表面特征.实验结果表明:无磁场时,两种液态金属膜流流动表面波动特性与常规流体膜流均一致,即随着流动雷诺数的增加表面波动变得更为混乱;而展向磁场存在时,镓铟锡膜流表面波动变得更为规则,且沿着磁场方向平行排列,表现为拟二维波动的特征;而锂膜流却产生了明显的磁流体力学阻力效应,表现为在流动方向局部产生锂滞留现象,且滞留点随雷诺数增大向下游移动.最后通过膜流受力分析,进一步阐述了锂膜流受到比镓铟锡膜流更为严重磁流体力学效应影响的原因.     

转子扭转-纵向耦合振动分析

针对某转子的模型,分析了扭转-纵向耦合振动.计算结果表明:设置转子预应力与旋转时的离心力相对应,其扭转振动频率将随预应力的增大而增大.转子纵向振动频率不受该预应力的影响,这是因为转子旋转时预应力的方向与轴线垂直.随着转子旋转时预应力的变化,扭转振动频率接近纵向振动频率,出现扭转-纵向耦合振动.     

CHARACTERISTIC OF DROPLET OSCILLATION ON THE SURFACE OF RECTANGULAR HYDROPHOBIC GROOVES

液滴振荡行为是液滴运动中的重要伴随现象,具有重要科研价值.由于液滴撞击疏水沟槽板时运动行为与光滑表面明显不同,可以推测疏水沟槽表面液滴振荡特性也将会呈现与众不同的行为特点.采用高速摄像技术,研究了矩形疏水沟槽表面上水滴高度和接触线振荡行为随沟槽尺寸和撞击速度的变化规律.结果发现,矩形疏水沟槽造成的各向润湿异性使得振荡过程中水滴在平行沟槽方向上的接触线长度大于垂直方向,但并不影响水滴高度方向上衰减振荡的周期,即水滴振荡周期与沟槽间距无关;同时由于疏水沟槽表面上存在能垒束缚效应,致使水滴振荡过程中接触线的铺展和回缩运动不服从典型阻尼振荡规律,而呈现振荡数次后直接趋稳的特点.如水滴以0.61 m/s撞击时,接触线经历2次振荡后即维持稳定,但此时水滴仍在持续振荡中.另外,还初步分析了水滴振荡周期与沟槽间距无关的原因.     

Grazing impact of continuous droplet streams with a superhydrophobic surface

When high-velocity droplets make grazing impact with a superhydrophobic surface, the droplets undergo significant deformation before recoiling and rebounding from the surface. Two distinct operating regimes describe the response of the reflected droplet stream after impact. In the first regime, the droplets remain discrete and uniform after the impact, but exhibit rotation and significant oscillations. This regime dominates if each droplet can clear the impact region before the next droplet arrives. In the second regime, droplets cannot avoid coalescing into a puddle at the surface. A secondary jet is ejected from the puddle which breaks up into a random droplet stream after traveling a short distance due to the lack of a forced unstable perturbation. The droplet-to-droplet spacing in the incoming stream determines which regime rules, with the critical value correlated by a Weber number. In the first regime, a detailed accounting of the kinetic and potential energies reveals that neither droplet oscillation nor rotation can fully account for the loss of translational kinetic energy, indicating significant internal circulation must occur in the droplets at impact. An application of droplet rebound from a superhydrophobic surface is proposed.     

A numerical and experimental study of a collapsing bubble-induced droplet ejector

This paper aims to study a novel drop-on-demand droplet generation mechanism in which the oscillation and deformation of a non-equilibrium bubble in close proximity to a free surface induce an axisymmetric liquid spike on the free surface. The evolution of the liquid spike and its deformation due to the effect of surface tension force lead to the formation of a droplet. The free surface can be accorded by either a circular hole on a horizontal flat plate or by the top opening/nozzle of a vertical cylinder. A high-speed camera capable of obtaining images at a frame rate of 15,000 fps is utilized to observe the droplet formation process. Numerical simulations corresponding to the experiments are performed using the boundary integral spatial solution coupled with the time integration, i.e., a mixed Eulerian–Lagrangian method. In the experiments the bubble is generated using a very low voltage (only 55 V) in contrast to the relatively much higher voltages usually employed in reported works. This is very attractive from a safety viewpoint and accords great simplification of the setup. A comparison is made between the numerical and experimental results. A reasonable agreement has been found. The influences of the main design parameters, namely, the bubble-free surface distance and the dimension of the hole/nozzle on the bubble dynamics and on the droplet formation process are discussed and the conditions of the bubble dynamics under which a satellite-free droplet can be generated are sought. Furthermore, the effects of different geometries, namely, the horizontal flat plate and the vertical cylinder on the bubble dynamics and on the droplet features are examined. One important feature of the proposed actuation mechanism is the capability of producing droplets much smaller than the nozzle size. The possible applications of this mechanism are those where the accurate direction of the ejected droplet is of great importance such as inkjet printing.      

同轴气流式液体射流分裂液滴粒径研究

针对同轴气流式液体射流分裂液滴粒径预测模型缺乏的现状,结合射流线性稳定性理论,建立了基于临界模数的同轴气流式黏性液体射流分裂液滴粒径表达式,在此基础上,分别研究了气流旋拧(气流同时存在轴向和周向运动)及流体物性(气体可压缩性、液体黏性、气液密度比和表面张力)对液滴粒径的影响规律.研究发现:周围气流轴向引射作用和同轴旋转...     

平壁液滴静态铺展影响因素的研究

通过建立液滴撞击固体平壁的静态铺展力学平衡的数学模型,从理论上得到了静态铺展半径与液滴物性参数、以及液滴与固体壁面接触角之间关系的数学表达式,将理论结果与数值模拟的结果进行了比较,两者吻合较好.比较了不同条件下液滴的静态铺展半径的变化规律,分别得到了液滴密度、体积、表面张力和接触角等因素对液滴静态铺展半径的影响规律.      

单液滴内空化气泡的生长及溃灭研究

超空化燃油射流使得喷雾中部分燃油分裂液滴内含有空化气泡;空化气泡的生长及溃灭对液滴的分裂与雾化具有重要影响. 基于VOF 方法首次对超空化条件下燃油液滴内空化气泡的生长及溃灭过程进行了数值模拟. 通过研究发现,单液滴内空化气泡的生长过程可以按控制机理划分为表面张力控制阶段、综合竞争阶段和惯性力控制阶段;在第I 阶段,空泡的生长主要受表面张力的控制作用,惯性力对空泡生长的促进作用及黏性力对空泡生长的抑制作用可以忽略;在第II 阶段,空泡的生长受表面张力、惯性力及黏性力三者的综合作用,空泡的生长速率是促进空泡生长的惯性力和抑制空泡生长的表面张力及黏性力相互竞争、共同作用的结果;在第III 阶段,空泡的生长主要受惯性力的控制作用,抑制空泡生长的表面张力及黏性力的作用基本可以忽略. 单液滴内空化气泡的溃灭过程由多个溃灭阶段和反弹阶段构成,类似于有阻尼弹簧振子的振动过程;根据每个溃灭周期结束时空泡半径随时间的变化历程,可以将空泡的溃灭分为快速溃灭期、缓慢溃灭期以及稳定期;溃灭初期空泡溃灭压力的变化非常剧烈,但空泡溃灭体积的变化则要相对平缓得多;空泡反弹压力随时间的变化与空泡反弹体积随时间的变化基本对应.      

Modeling surface tension of a two‐dimensional droplet using smoothed particle hydrodynamics

Surface tension plays a significant role at the dynamic interface of free‐surface flows especially at the microscale in capillary‐dominated flows. A model for accurately predicting the formation of two‐dimensional viscous droplets in vacuum or gas of negligible density and viscosity resulting from axisymmetric oscillation due to surface tension is solved using smoothed particle hydrodynamics composed of the Navier‐Stokes system and appropriate interfacial conditions for the free‐surface boundaries. The evolution of the droplet and its free‐surface interface is tracked over time to investigate the effects of surface tension forces implemented using a modified continuous surface force method and is compared with those performed using interparticle interaction force. The dynamic viscous fluid and surface tension interactions are investigated via a controlled curvature model and test cases of nonsteady oscillating droplets; attention is focused here on droplet oscillation that is released from an initial static deformation. Accuracy of the results is attested by demonstrating that (i) the curvature of the droplet that is controlled; (ii) uniform distribution of fluid particles; (iii) clean asymmetric forces acting on the free surface; and (iv) nonsteady oscillating droplets compare well with analytical and published experiment findings. The advantage of the proposed continuous surface force method only requires the use of physical properties of the fluid, whereas the interparticle interaction force method is restricted by the requirement of tuning parameters.