低温光滑壁面上水滴撞击结冰行为

采用高速摄像技术测试低温光滑壁面上水滴撞击结冰过程, 分析了撞击速度、壁面温度和材料热导率对水滴撞击铺展、振荡及结冰行为的影响规律. 结果表明, 低温壁面造成水滴最大铺展直径缩小, 且结冰时间随温度降低而缩短; 当撞击We数提高时, 水滴最大铺展直径增大, 而振荡和结冰时间减小; 同时材料热导率越高, 最大铺展直径越小, 结冰越迅速. 另外, 从热力学角度推导出水滴撞击结冰时间的理论公式, 预测误差<5.3%.     

垂直轴风力机叶片表面结冰的风洞试验

为研究垂直轴风力机叶片表面结冰的规律以及结冰对其性能的影响,对采用NACA0018翼型的风力机叶片进行了风洞结冰试验研究。在风洞试验段内安装了喷水装置,室外的寒冷空气被吸入风洞后与过冷水滴一起吹向叶片并碰撞结冰。测试了不同水滴流量和叶片攻角下的叶表结冰分布及叶片的升阻力系数变化。在一定攻角范围内,叶表结冰量随翼型迎风面积增加而增加;结冰后的阻力系数增大,升力系数减小,叶片的气动特性降低。     

柴油液滴撞击热壁面的动态行为特性

为了分析柴油机内喷雾液滴撞击活塞表面的现象,采用高速相机对柴油液滴撞击加热壁面的动态行为特性进行了研究。结果表明：在壁面温度为25～550℃和韦伯数(We)为25～174的条件下,柴油液滴撞击加热壁面会出现四种行为模式：粘附模式,回弹模式,破碎模式和破碎回弹模式。在粘附模式下,随着壁面温度提高,液滴粘性的降低会使液滴的铺展系数和动态接触角的变化幅度增大。随着We数增大,液滴的惯性力增强,进而形成更大的铺展系数。液滴的回弹行为会在壁面温度超过动态Leidenfrost温度时发生,且动态Leidenfrost温度随We数的增加约从425℃提高至450℃。在回弹模式下,随着We数增大,液滴最大铺展系数和无量纲接触时间显著增大,并结合文献分别总结出适用于多种工质的预测关系式。     

双液滴同时垂直撞击壁面的数值研究

采用质量守恒的level set方法对双液滴同时垂直撞击干壁面后的流动过程进行了模拟研究,主要讨论了韦伯数(We)、壁面接触角(θ)以及双液滴水平间距(S)等物理参数对相界面流动过程的影响,分析了不同参数下射流高度和水平铺展半长随时间的变化规律.研究表明:We数较大时,中心射流液柱将产生二次液滴,随后液柱反弹至空中,且We数越大,中心射流产生的二次液滴次数越多,最大无量纲射流高度和最大无量纲铺展半长越大;随壁面接触角的增大,中心射流液柱出现反弹现象,水平铺展液流出现断裂的时间越早,最大无量纲射流高度和最大无量纲铺展半长越小;最大无量纲射流高度值与液滴水平间距的相关性不单调,铺展半长随水平间距的增大而增大.     

液滴撞击超疏水碳纳米管阵列表面的行为研究

实验研究了不同韦伯数(We)时液滴碰撞碳纳米管阵列表面的动态过程行为,并借助改进的水平集方法对液滴碰撞过程进行了数值模拟。模拟过程中,分别引入了接触角动态变化的Kistler模型和Blake模型,并就液滴铺展因子和顶点高度等方面将模拟与实验结果进行了对比分析。结果表明:在We=1.4～110范围内液滴碰撞都经历了相似的铺展-收缩-弹跳过程,不同We时模拟和实验结果都比较接近;在液滴铺展阶段,依据Kistler模型的模拟结果与实验值更接近,而在收缩阶段,依据Blake模型的模拟结果与实验值更加吻合.综合考虑后发现Blake模型与实验值的偏差较Kistler模型在整体上更小,细节吻合较好,验证了模型的可靠性。     

液滴碰撞Janus颗粒球表面的行为特征

为研究液滴碰撞Janus颗粒(双亲性)球表面的独特行为特征,以粒径为5.0 mm铜球为材料制备了Janus颗粒,用直径为2.0 mm的液滴,在韦伯数(We)为2.7,10,20,30的测试情况下对Janus颗粒球表面进行了碰撞实验.结果表明:液滴碰撞Janus颗粒球表面后的运动可分为铺展、回缩、振荡和回弹4个过程.在不同We下,液滴碰撞Janus颗粒后的运动状态主要与表面润湿性相关,在Janus颗粒亲水侧表现为铺展特性且铺展系数γ随着时间t的增大而逐渐增大并趋于稳定;但在疏水侧,表现为回弹现象,铺展系数γ会出现类似"抛物线"形状;当液滴碰撞Janus颗粒球表面亲-疏水分界线时,液滴铺展和回弹同时发生.基于能量平衡和受力分析发现,液滴动能和表面能的互相转化是液滴铺展的关键,液滴会在重力、惯性力、表面张力、黏性力、接触力等力的综合作用下展现其独特的行为特征并最终达到平衡状态.     

盐水液滴撞击固体壁面接触特性实验研究

采用高速摄像仪对不同浓度盐水液滴撞击水平固体表面的现象进行了观测并记录,总结了接触角、铺展系数和无量纲高度的变化规律,并对其影响参数进行了分析。结果表明:在液滴铺展阶段,盐水液滴的动态接触角大于纯水液滴的,在回缩阶段,其动态接触角反而小于纯水液滴的;液滴铺展系数随盐浓度的增加而减小;液滴直径增大,其最大铺展系数增大,铺展系数变化的震荡频率减弱;对于较大直径液滴,在铺展阶段,盐浓度对液滴动态铺展特性影响较小;随液滴撞击速度增加,液滴的铺展系数增大,而回缩到最小铺展直径所用时间缩短,液滴震荡越易受到抑制;相对于速度而言,液滴直径大小更能影响液滴的震荡频率。     

铝液滴撞击曲面的流动特性分析

为揭示高表面张力的铝液滴撞击弯曲壁面的铺展机制,基于流体体积方法建立了铝液滴撞壁的数值计算模型,通过分析韦伯数(We)、奥内佐格数(Oh)以及壁面曲率(k)对液滴碰壁过程的影响规律,探索了铝液滴在曲面上的铺展特性与流动机理.研究结果表明:随着We的增大,铝液滴的撞壁行为模式依次表现为黏附、反弹以及破碎射流;由于铺展和回缩过程都会产生能量耗散,因此液滴回缩速度要小于其铺展速度.在撞壁过程中,接触点处产生了两次压力峰和速度峰,分别出现在撞壁时刻与即将反弹时刻.随着k的增加,液滴的最大铺展系数不断增加,且在平面上最小,但曲率变化对液滴铺展速度的影响并不突出.基于计算结果,通过引入k对铺展系数预测模型作出了修正.同时,基于能量守恒定律,对铝液滴在曲面上的流动过程进行分析,建立了多因素耦合作用下的铺展系数计算模型.与撞击平面相比,液滴在曲面上的铺展系数不仅与液滴的运动参数、壁面的润湿性有关,还与壁面曲率与液滴曲率之比有关.本文提出的两种预测模型均能为实际的工程应用提供参考依据.     

液滴碰撞不同接触角线缆表面的模拟

针对常见的液滴输电线缆搭建对应的计算模型,通过Fluent内置的VOF对不同疏水性表面进行计算,讨论液滴与线缆的接触时间、铺展半径与接触角度之间的关系,并分析不同接触角下液滴的压力云图和速度矢量图。模拟计算结果显示：液滴与壁面接触的运动状态受壁面接触角的影响,液滴铺展面积和接触时间与壁面接触角呈反比关系;提高壁面接触角会降低铺展面积、减少接触时间,加快液滴的回缩、回弹,运动液滴最终滑落离开壁面;小接触角壁面铺展面积增大、接触时间增加,液滴最终完全铺展停留于壁面上。研究结果对探究不同疏水性下液滴在线缆壁面结冰的原理及特性具有一定的指导和参考意义。     

液滴撞击不同湿润性固壁面上静止液滴的格子Boltzmann研究

采用单组分多相的伪势格子Boltzmann方法,在大小液滴粒径比为1.5的情况下,对大液滴竖直撞击壁面上静止小液滴的过程进行模拟,研究亲水与超疏水壁面上大液滴竖直碰撞小液滴的过程,得到液滴铺展因子和相对高度随时间的变化。结果表明：增大We数会使液滴的铺展因子增大,铺展直径变大,相对高度减小;并且随着We数的增加,在超疏水表面,液滴在铺展过程中底部会出现空腔,空腔大小随着We数增大而增加;此外,We数增加到107.35时,液滴发生了断裂。     

液滴撞击圆柱内表面的数值研究

针对液滴撞击圆柱内表面的过程,利用基于相场的格子Boltzmann方法模拟液滴以不同初速度、从不同初始高度、撞击不同大小的圆柱内表面时液滴的形态变化,分析了液滴自身物性(如密度和黏性等)和圆柱内表面润湿性等因素对撞击现象的具体影响.研究发现:撞击韦伯数、密度比及动力黏性比、圆柱半径等对液滴撞击后沿圆柱内表面的铺展均有一定影响,较高的韦伯数下液滴可能会发生分裂;液滴初始高度对大密度比和动力黏性比的撞击影响较小;液滴反弹现象可能出现在接触角较大时;重力作用会抑制撞击后液滴的振荡.     

液滴撞击加热壁面传热实验研究

本文采用高速摄像仪对水滴和乙醇液滴撞击加热壁面后的蒸发过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击加热壁面后的蒸发特性参数. 实验中, 两种液体初始温度均为20 ℃, 不锈钢壁面初始温度范围为68-126℃. 水滴初始直径为2.07 mm, 撞击壁面时Weber 数为2-44; 乙醇液滴初始直径为1.64 mm, Weber数为3-88. 结果表明, 液滴受到重力、表面张力及流动性的影响, 在蒸发过程的大部分时间内, 水滴高度持续降低而接触直径几乎不变; 蒸发后期, 液滴发生回缩, 水滴的接触直径、高度和接触角出现振荡现象. 乙醇液滴的接触角随时间的增加呈现先减小随后保持不变的趋势, 而接触直径和高度则持续减小, 直到液滴完全蒸发. 液滴蒸发总时长与液体物性和壁面温度有关, 随壁面温度的升高而减小, 与液滴撞击壁面时的Weber 数无关. 同时, 随着壁面温度的升高, 液滴显热部分占总换热量的比重增大, 显热部分能量不可忽略, 本文实验条件下得到水滴的平均热流密度为0.014-0.110 W·mm^-2.     

单液滴正碰球面动态行为特性实验研究

在考虑空气阻力影响,确定液滴撞击球面速度的基础上,对较高韦伯数液滴撞击干燥球面动态行为过程进行了实验研究,分析了球面曲率与韦伯数对液滴撞击行为和铺展因子的影响,并与前人撞击平面结果进行了对比.实验表明,靠近撞击球面时,液滴降落速度出现明显波动;球面曲率对液滴撞击后行为影响明显,曲率较大时,液滴撞击后铺展液膜会超出球面直径并滑落,曲率较小时,液滴撞击后在球面上呈现明显的铺展、回缩、震荡、着附动态变化行为,此时最大铺展因子受曲率影响小,随曲率减小,逐渐趋向于撞击平面时的最大铺展因子;韦伯数对液膜铺展速率影响较小,但对液膜回缩时间影响明显,最大铺展因子随韦伯数增加逐渐增大,获得的关联式呈指数变化.     

Droplet impact on regular micro-grooved surfaces

We have investigated experimentally the process of a droplet impact on a regular micro-grooved surface. The target surfaces are patterned such that micro-scale spokes radiate from the center, concentric circles, and parallel lines on the polishing copper plate, using Quasi-LIGA molding technology. The dynamic behavior of water droplets impacting on these structured surfaces is examined using a high-speed camera, including the drop impact processes, the maximum spreading diameters, and the lengths and numbers of fingers at different values of Weber number. Experimental results validate that the spreading processes are arrested on all target surfaces at low velocity. Also, the experimental results at higher impact velocity demonstrate that the spreading process is conducted on the surface parallel to the micro-grooves, but is arrested in the direction perpendicular to the micro-grooves. Besides, the lengths of fingers increase observably, even when they are ejected out as tiny droplets along the groove direction, at the same time the drop recoil velocity is reduced by micro-grooves which are parallel to the spreading direction, but not by micro-grooves which are vertical to the spreading direction.     

实验观测液滴撞击倾斜表面液膜的特殊现象

采用高速摄像仪以10000帧/s 的拍摄速度对液滴撞击倾斜表面液膜的过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击倾斜表面液膜后的铺展、水花形成以及飞溅等现象, 考察了撞击角对液滴震荡变形过程的影响; 在此基础上, 定量讨论了液滴铺展速度随时间的变化规律, 揭示了液滴撞击速度和撞击角对前、后铺展因子及初始铺展速度的影响.观测发现, 在撞击角为28.0°–74.7°范围内, 随着撞击角的减小, 液滴在液膜表面的震荡变形程度增大; 前铺展因子随撞击速度的增大而增大, 随撞击角的减小而增大; 后铺展因子随撞击速度的增大几乎不发生变化, 但是随撞击角的增大而增大; 液滴初始铺展速度随撞击速度和撞击角的升高而增大. 关键词： 液滴撞击 倾斜液膜 铺展因子 铺展速度     

Effect of the liquid temperature on the interaction behavior for single water droplet impacting on the immiscible liquid

The interaction of single water droplet impacting on immiscible liquid surface was focused with the temperature varying from 50 ℃ to 210 ℃. The impact behavior is recorded with a high-speed camera running at 2000 frames per second. It is found that droplet diameter, oil temperature, and Weber number have important influences on impact behaviors. Three typical phenomena, including penetration, crater-jet, and crater-jet-secondary jet, were observed. Penetration only occurs when the Weber number is below 105. With Weber number increasing to 302, the jet begins to appear. Moreover, to gain deeper physical insight into the crater formation and jet formation, the energy of droplet impingement onto the liquid pool surface was estimated. The oil temperature has a significant effect on the energy conversion efficiency. High temperature is beneficial to improve energy conversion efficiency.     

剪切变稀液滴撞击不同浸润性壁面的数值模拟研究

基于有限元法,采用水平集方法捕捉相界面的移动,构建了液滴撞击固体壁面的数值模型.通过修正的幂律模型描述流体的非牛顿剪切变稀特性,探讨了剪切变稀特性对液滴撞击固体壁面后铺展行为的影响,分析了撞击不同浸润性壁面时剪切变稀特性对液滴撞击壁面行为的影响差异.研究结果表明:随着幂律指数m的减小,液滴撞击过程中的黏性耗散减小,液滴的形貌变化及无量纲参数变化更为显著.接触角为55°的情况下:当m降低至0.85时,液滴铺展过程中开始出现显著区别于牛顿流体液滴的振荡现象;当m降低至0.80时,液滴在回缩过程中会出现中心液膜断裂的情况.接触角为100°时,剪切变稀液滴均会出现振荡行为,振荡幅度随着m的减小而增大.接触角为160°时,牛顿流体液滴与剪切变稀液滴均会在回缩过程中弹起,但剪切变稀液滴的弹起速度更快.此外,基于数值计算结果,本文提出了接触角为55°情况下剪切变稀液滴撞击壁面后的最大无量纲铺展直径预测模型.     

平衡接触角对受热液滴在水平壁面上铺展特性的影响

壁面温度是影响壁面润湿性的重要外部条件. 为解决液滴铺展中三相接触线处应力集中问题, 已有研究多采用预置液膜假设, 但无法探究壁面温度对润湿性的影响. 本文针对受热液滴在固体壁面上的铺展过程, 基于润滑理论建立了演化模型, 通过数值模拟, 从平衡接触角角度分析了温度影响壁面润湿性及铺展过程的内部机理. 研究表明: 随温度梯度增大, 液滴所受Marangoni效应增强, 致使液滴向低温区的铺展速率加快; 铺展过程中, 位于高温区的接触线与液滴主体部分间形成一层薄液膜, 重力与热毛细力先后主导该区域的铺展; 当液-固或气-液界面张力对温度的敏感度高于另两个界面时, 低温区方向的平衡接触角不断增大, 使壁面润湿性恶化, 导致液滴铺展减慢; 而当气-固界面张力对温度的敏感度高于其他两个界面时, 低温区方向上的平衡接触角将减小, 由此改善壁面润湿性, 加快液滴铺展; 在温度影响壁面润湿性和液滴铺展过程中, 平衡接触角起关键作用.