微液滴振荡过程的光滑粒子动力学方法数值模拟

本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正, 采用了一种新型的核函数和离散格式, 应用改进的光滑粒子动力学方法对微液滴振荡过程进行了数值研究. 研究了不同纵横比和雷诺数(Re)下振荡阻尼与振荡的周期、振幅与Re数的关系. 研究表明: 对于纵横比λ≤ 4时的微液滴振荡过程, 其他参数恒定不变的前提下, Re数越大, 液滴形状变化越剧烈, 波的阻尼作用越弱, 液滴振荡周期变长; 在Re数一定的前提下, 随着液滴初始的纵横比的增大, 液滴振动的振幅增大, 液滴振荡的周期变长.     

液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性

基于润滑理论,采用滑移边界条件建立了二维液滴厚度的演化模型和移动接触线动力学模型,利用数值计算方法模拟了均匀加热基底上固着液滴蒸发时的动力学特性,分析了液-气、固-气和液-固界面张力温度敏感性对壁面润湿性和液滴动态特性的影响.结果表明,液滴的运动过程受毛细力、重力、热毛细力和蒸发的影响,重力对液滴铺展起促进作用,而毛细力、热毛细力则起抑制作用;通过改变界面张力温度敏感性系数,可使液滴蒸发过程中的接触线呈现处于钉扎或部分钉扎模式,且接触线钉扎模式下的液滴存续时间低于部分钉扎模式;提高液-气与液-固界面张力温度敏感系数均可改善壁面润湿性能,加快液滴铺展速率;而增大固-气界面张力温度敏感系数则导致壁面润湿性能恶化、延缓液滴铺展过程;通过改变固-气界面张力温度敏感系数更有利于调控处于蒸发状态下的液滴运动.     

超疏水表面液滴的振动特性及其与液滴体积的关系

超疏水表面液滴的振动特性与接触线的移动、液滴体积、基底振幅等因素密切相关.本文在基底振幅较小且恒定的条件下,研究了超疏水表面液滴的共振振幅、模式区间、共振频率等振动特性及其与液滴体积(20—500μL)的关系.此外,将基于一般性疏水表面建立的Noblin共振频率计算模型应用于超疏水表面,并提出“虚驻点”的概念,借此对模型进行了误差分析和修正.研究表明:1)共振时,液滴高度变化率即比振幅随体积增大而增大,随阶数增大而减小;2)各模式区间的起止频率首尾相接,其范围随体积增大而减小;3)液滴体积越大,共振频率越小,随着阶数增大,共振频率f与体积V的关系趋于f-V^–0.4,不同于一般性疏水表面上的f-V^–0.5;4)直接应用Noblin模型计算共振频率会产生较大误差,主要原因在于液滴表面波波段数量统计存在较大偏差,而修正后的模型可以准确计算超疏水表面大体积液滴的共振频率.     

莱氏星星振动模式的研究

基于微扰理论建立加热平面上液滴自激振动的基本模型,研究了莱氏星星的产生条件,以及相关参量如液滴半径、液滴振动频率等因素对莱氏星星振动模式的影响,并对液体周期性振荡模式进行了有限元模拟.通过实验测量出液滴振荡模式个数、振荡频率与液滴半径的关系,与理论分析及仿真结果相符.通过研究莱氏液滴振动模式及自激振荡机制,对液滴在高温表面的复杂动力学过程有了更深入的了解,在金属工业及石油工业等领域有着重要的应用.     

水平均质表面上液滴聚合过程的可视化实验研究

对水平均匀表面上液滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了液滴半径和液滴物性等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径和接触角变化特性的影响规律。实验结果表明:液滴聚合中液桥半径和接触角都呈衰减振荡变化; 聚合前液滴半径越小,液桥半径振荡频率越大,振幅越小,振荡时间越短;液滴的粘度越大,液桥半径的振荡频率越小, 振幅越小,振荡时间越短;液滴聚合前的接触角明显大于聚合液滴静止后的接触角,其差值与固体界面状况和气、固、液物性相关。     

小波分析方法在合肥光源逐束团测量系统中的应用

介绍了小波分析方法在逐束团束流位置测量系统中的应用。小波分析方法在高频处频率窗口较宽,具有较高的时间分辨力,使用小波分析可分离并提取信号的振荡成分及基线漂移成分,各成分在时间轴上的位置与原信号相同,原有的线性关系保持不变,在处理非平稳信号时不会造成信号明显劣化,如幅度失真和相位偏差。基于小波分解和重构的时间序列多分辨力滤波处理非平稳信号时不会造成信号明显劣化,保证了追踪束团振荡强度、相位、频率和振荡模式随时间变化的结果更真实可信。在合肥光源中,小波分析方法成功用于横向振荡振幅包络的提取及增长率、阻尼率的计算,也可用于提取横向振荡振幅包络及计算增长率和阻尼率,为机器研究、束流诊断和逐束团反馈系统调试提供了准确的依据。     

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.     

液滴振荡模型及与数值模拟的对比

由于碰撞壁面后液滴内部流动的复杂性, 以及气-液-固三相间的相互作用, 对液滴碰撞壁面形态变化的数学理论研究有较大的难度, 因此所见者多为实验和数值模拟. 本文通过对液滴受力状态的分析, 得到了惯性力、黏性力和表面张力带经验系数的表达式, 并进一步建立了液滴碰撞壁面振荡模型, 得到了液滴铺展半径的振荡表达式, 以及表面张力、黏性系数等参数对液滴铺展的影响. 最后通过与液滴衰减振荡数值模拟结果的对比, 确定了液滴振荡模型中的修正系数, 验证了模型的可行性. 关键词： 液滴碰撞 振荡 铺展半径/高度 数值模拟     

不同加载条件下位错和溶质原子交互作用的数值模拟

动态应变时效,即位错和溶质原子的动态交互作用,对合金材料的力学性质产生重要影响. 本文基于蒙特卡罗方法,建立了“多位错-溶质原子” 二维动力学模型,分别模拟了单位错-恒定应力率、多位错-无应力、多位错-恒定应力和多位错-恒定应力率四种条件下位错和溶质原子的演化过程. 单位错-恒定应力率情况下,低应力率时位错被溶质原子钉扎而无法脱钉,高应力率时位错未被钉扎而一直运动,只有在适当应力率范围内,位错才呈现出反复的钉扎和脱钉;多位错-无应力时,溶质原子向正/负位错的下/上方偏聚;多位错-恒定应力时,位错运动受溶质原子钉扎的影响随应力增大而减小;多位错-恒定应力率时,集群化的钉扎和脱钉过程导致了位错总位移呈现阶梯状的演化. 模拟结果表明：“位错-溶质原子”尺度上呈现了动态应变时效微观过程,与其理论描述相一致. 关键词： 动态应变时效 动力学模型 位错运动     

一个描述Josephson振动阻尼效应的场方程

在GPE方程的基础上添加了一个耗散项-12γcψ,用来分析双势阱模型的Josephson振荡中的阻尼现象,并得出:凝聚态粒子总数及 Josephson振动的振幅随时间呈指数衰减.     

Evaporation of liquid droplets from a surface of anodized aluminum

The results of study of evaporation of water droplets and NaCl salt solution from a solid substrate made of anodized aluminum are presented in this paper. The experiment provides the parameters describing the droplet profile: contact spot diameter, contact angle, and droplet height. The specific rate of evaporation was calculated from the experimental data. The water droplets or brine droplets with concentration up to 9.1 % demonstrate evaporation with the pinning mode for the contact line. When the salt concentration in the brine is taken up to 16.7 %, the droplet spreading mode was observed. Two stages of droplet evaporation are distinguished as a function of phase transition rate.     

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     

Sonoprocessing of wetting of SiC by liquid Al: A thermodynamic and kinetic study

The sonoprocessing of droplet spreading during the wetting process of molten aluminum droplets on SiC ceramic substrates at 700 °C is investigated in this paper. When wetting is assisted by a 20 kHz frequency ultrasonic field, the wettability of liquid metal gets enhanced, which has been determined by the variations in thermodynamic energy and wetting kinetics. Wetting kinetic characteristics are divided into two stages according to pinning and depinning states of substrate/droplet contact lines. The droplet is static when the contact line is pinning, while it is forced to move when the contact line is depinning. When analyzing the pinning stage, high-speed photography reveals the evidence of oxide films being rapidly crushed outside the aluminum droplet. In this work, atomic models of spherical Al core being wrapped by alumina shell are tentatively built, whose dioxide microstructures are being transformed from face-centered cubic into liquid at the atomic scale. At the same time, the wetting experiment reveals that the oxide films show changes in the period of sonoprocessing from 3rd to 5th second.During the ultrasonic spreading behavior in the late stage, there is a trend of evident expansion of the base contact area. The entire ultrasonic process lasts for no longer than 10 s. With the aid of ultrasonic sinusoidal waves, the wettability of metal Al gets a rapid improvement. Both molecular dynamic (MD) investigations and the experiments results reveal that the precursor film phenomenon is never found unless wetting is assisted by ultrasonic treatments. However, the precursor film appears near the triple line after using ultrasonics in the droplet wetting process, whose formation is driven by ultrasonic oscillations. Due to the precursor film, the ultrasonic wetting contact angle is lower than the non-ultrasonic contact angle. In addition, the time-variant effective ultrasonic energy has been quantitatively evaluated. The numerical expressions of thermodynamic variables are well verified by former ultrasonic spreading test results, which altogether provide an intrinsic explanation of the fast-decreasing contact angle of Al/SiC.     

非对称布置液滴在波纹状基底上的聚并过程

基于润滑理论建立在波纹基底上两个含表面活性剂液滴聚并的演化模型，模拟液滴位于波纹基底波峰和波谷处的聚并过程，分析液滴初始间距和基底高度对聚并的影响，并与对称布置液滴进行比较.结果表明：液滴高度随时间呈现五个阶段变化；活性剂浓度在短时间内完成三个阶段变化；初始间距的增大将延长液滴及活性剂聚并时间；增大基底高度将缩短液滴及活性剂聚并时间；非对称液滴相较于对称液滴聚并时间短，聚并速度快.     

Jet formation in the laser forward transfer of liquids

The dynamics of the laser-induced forward transfer (LIFT) of an aqueous solution is investigated through time-resolved imaging. The experiment is carried out at conditions under which droplets are deposited on a receptor substrate. The obtained images reveal that after an initial balloon-like stage, a uniform jet with a very long length and high aspect ratio is formed, which advances at constant speed until it finally becomes unstable and breaks into several droplets. This dynamics demonstrates that the deposition process of well-defined droplets through LIFT results from the contact of the liquid jet with the receptor substrate, and not from a flying droplet.     

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.     

Collisional dynamics of symmetric two-dimensional quantum droplets

The collisional dynamics of two symmetric droplets with equal intraspecies scattering lengths and particle number density for each component is studied by solving the corresponding extended Gross−Pitaevskii equation in two dimensions by including a logarithmic correction term in the usual contact interaction. We find the merging droplet after collision experiences a quadrupole oscillation in its shape and the oscillation period is found to be independent of the incidental momentum for small droplets. With increasing collision momentum the colliding droplets may separate into two, or even more, and finally into small pieces of droplets. For these dynamical phases we manage to present boundaries determined by the remnant particle number in the central area and the damped oscillation of the quadrupole mode. A stability peak for the existence of droplets emerges at the critical particle numberN_c ≃ 48 for the quasi-Gaussian and flat-top shapes of the droplets.     

微液滴在超疏水表面的受迫振动及其接触线的固着-移动转变

利用高速摄影技术对超疏水表面液滴振动的动态行为进行观测,研究液滴在不同频率下的振动特性. 实验发现,液滴的共振频率满足Rayleigh方程,微液滴在超疏水表面具有自由液滴的振动性质. 在80–200 Hz的驱动频率范围内,接触线出现了明显的固着-移动现象,液滴的振动频率是驱动频率的一半,液滴振动时的形变较大. 当驱动频率大于200 Hz时,接触线基本固着,液滴的振动频率近似等于驱动频率,液滴共振时的形态边缘始终有节点存在. 分析表明,液滴对外界驱动的不同响应与接触线的振荡行为和变形程度密切相关 关键词： 超疏水表面 受迫振动 共振 接触线