壁面吸附复合液滴的变形与运动特性

流动作用下壁面吸附复合液滴可呈现不同的动力学状态,了解其动力学状态转变及参数影响规律是操控液滴运移的关键.本文基于Front-tracking Method结合广义Navier边界条件建立了能够模拟移动接触线问题的数值方法。主要考察了层液滴毛细数、内层液滴大小、内层液滴毛细数对接触角滞后壁面吸附复合液滴动力学特性的影响。研究发现:外层液滴毛细数越大、内层液滴毛细数越小且内层液滴体积越大,复合液滴更容易从壁面脱附或被流体剪切发生破碎.     

剪切流动条件下液滴变形和断裂的数值模拟

本文采用扩散界面法研究了剪切流动条件下悬浮液滴变形和断裂的动力学机制。控制方程采用考虑表面张力影响的Navier-Stokes-Cahn-Hilliard方程描述。计算网格采用均匀矩形交错网格。采用基于压力增量的近似投影法计算 Navier-Stokes方程,采用完全近似多重网格法计算Cahn-Hilliard方程。稳态液滴变形规律及液滴拉伸断裂过程的计算结果与试验结果符合较好,表明本文模型能够很好的研究液滴变形及断裂机理。     

电场对协流式微流控装置中乳液液滴生成行为的调控机理

建立了直流电场作用下协流式微流控装置中单乳液液滴乳化生成过程的非稳态理论模型,并开展了数值模拟研究,揭示了电场对液滴乳化生成动力学行为的调控机理,阐明了流场/电场参数对液滴乳化生成特性的影响规律.研究结果表明:沿流体流动方向施加静电场可在电物性参数不同的两相流体界面法线方向上产生指向内相流体的电场力,进而强化了内相流体界面的颈缩和断裂,提升了液滴生成速率和形变程度,减小了液滴生成尺寸;在同一毛细数下,随着电毛细数的增大,乳液乳化流型由每周期仅有单一液滴生成的滴式流型转变为每周期有一个主液滴并伴随有卫星液滴生成的滴式流型;随着毛细数和电毛细数的增大,黏性拖曳力以及电场力作用增强,使内相流体颈缩过程后期更容易形成细长型液线,从而有助于诱发液线上产生Rayleigh-Plateau不稳定现象,继而促进卫星液滴的形成.     

剪切流场中双重乳液稳态形变

建立了不可压缩双重乳液界面行为的理论模型,并可视化实验验证了所建立模型的正确性.基于所建立的理论模型,数值模拟研究了剪切流场中双重乳液的形变机理,探讨了内外液滴半径比及各相工质黏度对其形变特性的影响规律.研究结果表明:在剪切流场中,双重乳液的稳态形变程度随着毛细数的增大而加剧,且内液滴抗形变能力比外液滴更强;随着内外液滴半径比的增大,双重乳液内外液滴间相互作用增强,导致内液滴形变程度增大,同时内液滴抗形变效应逐渐凸显,造成外液滴形变程度减小;双重乳液自身黏性是液滴形变的一种阻力,随着内、外液滴黏度的升高,双重乳液整体形变程度均减小,并且乳液外液滴相黏度变化对双重乳液稳态形变程度的影响更为明显.     

“神舟”四号中的流体物理实验

在多年地基研究的基础上 ,作为载人航天工程应用系统的有效载荷 ,在我国“神舟”四号飞船返回舱在轨飞行期间进行了大Marangoni数 (Ma)液滴热毛细迁移空间微重力实验 .实验中FC - 75液和 5cst硅油分别为滴相和连续相实验流体介质 ,研究了在稳定、长时间的微重力环境中 ,不同温度梯度条件下液滴热毛细迁移的现象及特征 .Marangoni数到达 5 5 0 0 ,很大地扩展了过去液滴热毛细迁移实验的Ma参数范围 .实验结果表明 ,大Ma数液滴热毛细迁移特征规律复杂 ,迁移速度与YGB模型线性预测有明显的差别 .文章介绍了液滴热毛细迁移研究进展 ,给出了此次空间实验的一些主要结果 .讨论了大Ma液滴热毛细迁移的特征 ,并对自行研制的空间实验设备、实验过程进行了简要介绍     

基于非结构化网格的多相流场求解与表面张力优化

本文推导了基于非结构化网格的投影法,将其与基于非结构化网格的PLIC方法进行耦合,实现了多相流动相界面的精确构造。从CSF模型出发,对相界面表面张力在非结构化网格上进行了优化,实现了表面张力的精确计算。对静态液滴算例进行了模拟,分别验证了方法的静态和动态准确性。最后模拟和分析了方腔顶盖反向驱动剪切流场中的液滴变形和破裂过程,发现两相流体的黏度比与液滴破裂的临界毛细数呈分段线性关系;液滴半径与临界毛细数之间呈线性关系。     

双乳液液滴形变及破碎特性

本文基于VOF（Volume of Fluid）相界面追踪方法,建立了不可压缩W₁/O/W₂双乳液液滴动力学模型并进行了数值求解,模拟了双板平行剪切流条件下液滴在流场中的稳定变形与破碎过程。研究结果表明:液滴的稳定变形程度随着毛细数的增大而加剧,且双乳液内液滴的变形程度要明显小于液滴整体变形程度;液滴雷诺数为0.05时,存在一个0 57～0.58之间的临界毛细数,当液滴毛细数小于临界毛细数时,液滴只发生稳定变形,反之则发生破碎。     

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.     

T型微通道中微液滴被动破裂的可视化实验研究

本文搭建了微流体实验平台,对T型微通道内微液滴的对称被动破裂进行可视化实验研究,探索微液滴破裂的机理。采用横截面为200μm×100μm或100μm×100μm的微通道,用改性硅油和花生油作为连续相,去离子水作为离散相,在毛细数为0~0.1的范围下,捕捉到了T型微通道被动破裂的隧道破裂、不连续阻塞破裂、永久阻塞破裂和未破裂等四种流型,绘制了流型图并获得了临界毛细数与微液滴的无量纲轴向长度经验关联式,用来预测不同结构及尺寸微通道发生破裂等与未破裂的条件.     

蒸汽剪切驱动液滴行为的格子Boltzmann模拟

滴状冷凝过程中,存在蒸汽流动对液滴的吹扫作用,液滴在蒸汽剪切作用下克服壁面黏附变形和运动,液滴运动速度越大,冷凝传热性能越高。但是液滴在蒸汽作用下变形和运动的细节还不清晰,蒸汽速度对液滴变形和运动的影响机理还不明确。本文采用自由能格子Boltzmann方法研究了在不同蒸汽速度剪切作用下,液滴在具有不同润湿性固体表面上的变形和运动过程,分析了蒸汽速度和接触角对液滴变形和运动的影响机制,结果显示随着蒸汽速度的增加,液滴变形越大,液滴在固体表面的运动速度越大,停留时间越短,有利于液滴的移除和表面更新,相同蒸汽速度的作用下,液滴在接触角大的固体表面上变形和运动速度越大,也有利于液滴的移除和表面更新。从而定性或半定量地揭示了蒸汽速度影响蒸汽滴状冷凝传热的物理机制。     

Encapsulated drop breakup in shear flow

We investigate the deformation and breakup in shear flow of an encapsulated drop in which both the core and shell are Newtonian fluids. The equations of motion are solved numerically using a level set method to track interface motion. We consider the case of a drop stretched to a given length in constant shear and then allowed to relax. A range of morphologies is produced, and novel kinematics occur, due to the interaction of the core and outer interfaces. A phase diagram is presented to describe the morphologies produced over a range of capillary numbers and core interfacial tensions.     

Drop deformation in microconfined shear flow

The deformation and breakup of a drop in an immiscible equiviscous liquid undergoing unbounded shear flow has been extensively investigated in the literature, starting from the pioneering work of Taylor. In this Letter, we address the case of microconfined shear flow, a problem which is relevant for microfluidics and emulsion processing applications. The main effects of confinement include complex oscillating transients and drop stabilization against breakup. In particular, very elongated drop shapes are observed, which would be unstable in the unbounded case and can be explained in terms of wall-induced distortion of the shear flow field. We show that wall effects can be exploited to obtain nearly monodisperse emulsions in microconfined shear flow.     

VOF法模拟剪切流动下液滴的变形和断裂运动

本文对剪切作用下悬浮液滴在另一种不相融的液体中的变形和断裂过程进行了数值模拟.采用VOF(Volume ofFluid)法中的三维PLIC(Piecewise Linear Interface Calculation)算法实现界面的重构和输运,交错网格下投影法离散表面张力为源项的不可压缩Navier-Stokes方程....     

油水两相分散流的相界面浓度输运方程研究

通过对连续相湍流导致的油滴聚合和破裂现象的合理模化,本文建立了适用于垂直上升管油水两相分散流的相界面浓度输运方程.其中对连续相湍流驱动油滴随机碰撞引起的聚合现象模化时,考虑了两油滴间连续相液膜排出过程中的凹面膜效应.而在描述油滴与湍流涡随机碰撞导致的破裂现象时,考虑了破裂过程所产生油滴的大小不等的因素.利用所建立的相界面浓度输运方程对沿实验段轴向的相界面浓度变化进行了预测,结果与实验数据比较表明吻合很好.     

气泡在自由液面破碎后的射流断裂现象研究

在势流假设下, 考虑表面张力以及黏性修正, 建立自由液面在气泡破碎后全非线性运动的数值模型, 给出射流断裂和水滴撕裂的数值处理方法. 同时进行上浮气泡在自由液面破裂的实验研究, 数值解与实验值符合良好.为了研究自由液面在气泡破碎后的运动学机理和规律, 运用开发的程序研究了不同尺寸气泡破碎后的动态特性, 包括从气泡底部顶起的射流、射流断裂以及水滴分裂等复杂的物理现象, 总结了从射流上撕裂出的第一个水滴尺寸、撕裂时间以及最大射流速度的变化规律. 最后讨论了雷诺数与韦伯数对气泡破碎后自由液面运动的影响. 关键词： 气泡 自由液面 破碎 断裂     

Interfacial Area Transport Equation for Bubble Coalescence and Breakup: Developments and Comparisons

Bubble coalescence and breakup play important roles in physical-chemical processes and bubbles are treated in two groups in the interfacial area transport equation (IATE). This paper presents a review of IATE for bubble coalescence and breakup to model five bubble interaction mechanisms: bubble coalescence due to random collision, bubble coalescence due to wake entrainment, bubble breakup due to turbulent impact, bubble breakup due to shearing-off, and bubble breakup due to surface instability. In bubble coalescence, bubble size, velocity and collision frequency are dominant. In bubble breakup, the influence of viscous shear, shearing-off, and surface instability are neglected, and their corresponding theory and modelling are rare in the literature. Furthermore, combining turbulent kinetic energy and inertial force together is the best choice for the bubble breakup criterion. The reviewed one-group constitutive models include the one developed by Wu et al., Ishii and Kim, Hibiki and Ishii, Yao and Morel, and Nguyen et al. To extend the IATE prediction capability beyond bubbly flow, two-group IATE is needed and its performance is strongly dependent on the channel size and geometry. Therefore, constitutive models for two-group IATE in a three-type channel (i.e., narrow confined channel, round pipe and relatively larger pipe) are summarized. Although great progress in extending the IATE beyond churn-turbulent flow to churn-annual flow was made, there are still some issues in their modelling and experiments due to the highly distorted interface measurement. Regarded as the challenges to be addressed in the further study, some limitations of IATE general applicability and the directions for future development are highlighted.     

液滴在气流中破碎的数值分析

液滴的破碎是液体抛撒、破碎和雾化中的一个非常重要的阶段,它直接影响到最终的液滴的尺寸和散布。为了揭示液滴破碎的机理和影响破碎的因素,本文通过应用VOF方法和湍流模型对液滴在气流中的破碎过程进行了数值计算。数值计算得到了与国外实验研究相一致的液滴破碎形状。并根据数值计算的结果,分析了几个特征参数对液滴破碎过程的影响。