三氧化二铝液滴对心碰撞直接数值模拟

为研究固体火箭发动机内三氧化二铝液滴碰撞的物理规律及结果预测模型,针对两个相同尺寸的三氧化二铝液滴对心碰撞,开展了直接数值模拟.首先进行了正十四烷液滴在氮气环境下的对心碰撞数值研究,数值与实验结果基本一致,验证了计算方法的可行性及准确性.针对三氧化二铝液滴开展了6 MPa压强下不同Weber数的对心碰撞数值研究,计算Weber数范围为10~200,Ohnesorge数为0.036 4;获得了反弹、大变形后聚合和自反分离3种结果类型,反弹与大变形后聚合的临界分离Weber数为26,大变形后聚合与自反分离的临界分离Weber数为44.根据临界Weber数对其他流体液滴碰撞模型进行修正,可以获得三氧化二铝液滴的碰撞模型.     

气体介质中海水液滴碰撞过程数值模拟

为揭示对喷式海水无填料冷却塔内海水液滴碰撞的规律及影响因素,采用VOF方法开展了相同尺寸的二元海水液滴碰撞数值模拟.首先利用Qian等的实验结果对计算模型进行校验,验证了模拟的准确性.开展了常温常压下不同Weber(韦伯)数以及不同碰撞参数下的海水液滴碰撞过程数值模拟,计算Weber数范围为0. 5~200,碰撞参数范围为0~1.得到了聚合、自反分离以及拉伸分离3种碰撞结果,对心碰撞聚合与自反分离的临界Weber数为22;然后对结果类型进行统计,得到了海水液滴碰撞结果分布We-x图.     

二元海水液滴对心碰撞过程数值模拟

为研究海水循环冷却系统中液滴碰撞的基本规律及碰撞结果预测模型,采用流体体积函数(volume of fluid,VOF)方法捕捉两相交界面,利用动态网格自适应技术提高求解精度,对二元海水液滴的对心碰撞过程进行直接数值分析与模拟.首先对氮气中正十四烷液滴的碰撞实验进行数值模拟,验证了数值模型的可靠性.开展了常温常压下等尺寸二元海水液滴对心碰撞数值研究,分析了液滴碰撞过程流场结构及流动机理,研究了不同液滴直径和不同海水浓度对碰撞过程的影响规律,得到了聚合和自反分离两种碰撞结果类型以及二者的临界Weber数.总结出不同Ohnesorge数下海水液滴碰撞结果诺模图.     

双尺度二阶矩颗粒相湍流模型经验系数的影响

基于将颗粒脉动分成湍流引起的大尺度脉动和颗粒间碰撞产生的小尺度脉动的概念,建立了双尺度二阶矩两相湍流模型．用该模型对下行床内两相流动进行了数值模拟,颗粒体积浓度、平均速度的计算结果和实验数据吻合较好．分析了双尺度二阶矩两相湍流模型经验系数变化对预报结果的影响:在经验系数的一定变化范围内,预报结果并无明显的影响,但是变化范围增大,预报结果会产生较大变化．     

固壁近旁Stokes流中粘性液滴的运动和变形

发展了一种模拟固壁近旁轴对称Stokes流中粘性液滴的运动和变形及直接计算固壁上应力的边界积分方法．用此方法对不同的液滴-固壁初始相对间距、粘度比、表面张力和浮力联合参数以及环境流动参数情况进行了数值实验．数值结果显示,由于环境流动和浮力的作用,随着时间的推进,液滴在轴向压缩,在径向拉伸．当环境流动的作用弱于浮力作用时,随着时间的推移,液滴上升并向上弯,固壁上由液滴运动所引起的应力不断减小．当环境流动的作用强于浮力作用时,随着时间的推移,液滴变得越来越扁．在这种情形,当大初始间距时,壁面上的应力随液滴的演变而增大;当小初始间距时,由环境流动、浮力及壁面对流动的较强作用的联合影响,此应力随液滴的演变而减小．由于液滴运动所引起的壁面应力的有效作用仅限于对称轴附近的一个小范围内,且此范围随液滴与固壁的初始间距增大而增大．应力的大小随初始间距增大而大为减小．表面张力对液滴变形有阻止作用．液滴粘性会减小液滴的变形和位置迁移．     

线张力作用下微纳米尺度液滴的非线性粘附

三相接触线上的线张力对微纳米尺度液滴的粘附行为有至关重要的影响．首次在由表面张力、线张力和液滴尺度组成的全参数空间中研究了液滴粘附的非线性行为．研究表明:液滴粘附解空间可以被归纳为4个特征区;在每个特征区内,液滴的粘附行为是相同的;在具有高度非线性的特征区中,给定材料体系,存在着多重粘附态;液滴粘附解空间中存在着两个公共不动点．这些新结果,与数值计算和实验观测相符合．     

Lattice Boltzmann Study on the Motion of Dual Droplets in Microchannels With Contact Angle Hysteresis北大核心CSCD

接触角滞后表现为流体在非理想固体表面上运动时前进接触角和后退接触角不同,是两相流体在润湿表面上流动的重要现象.该文采用改进的伪势格子Boltzmann(LB)多组分模型,并与几何润湿边界条件相结合,研究了两个液滴在具有接触角滞后性微通道表面上的运动行为,主要研究了通道内特征数、通道表面性质以及液滴初始参数的影响.研究结果表明：毛细数的增大有助于液滴的移动,然而并不利于液滴的排出,且毛细数的增加对上游液滴的影响大于其对下游液滴的影响;另一方面,接触角滞后性窗口越大,液滴运动和形变更迟缓,但形变程度更明显,两液滴更早地发生合并,但更晚地排出管道;液滴间距的增加使液滴的运动行为在不同阶段表现为不同的模式,但都导致通道中残留小液滴,使得液滴排出通道的时间增加.研究结果还表明：上游液滴和下游液滴的相对尺寸差距越大,越不利于液滴排出管道.     

球形纳米颗粒Brown凝并碰撞效率的新表达式

研究了邻苯二甲酸二辛酯纳米颗粒在Brown凝并过程中的碰撞效率．在考虑Stokes阻力、润滑力、van der Waals力和颗粒变形恢复力的情况下推导了一组碰撞方程,通过数值求解这组方程,得到了当颗粒半径从50 nm到500 nm变化时,颗粒碰撞效率和半径之间的关系,计算得到的结果和实验结果符合较好．计算结果表明,在颗粒半径为50 nm到500 nm的情况下,颗粒的碰撞效率随颗粒半径的增加而减小．基于计算结果,提出了颗粒碰撞效率的新表达式．     

自由飞行环境下的碰撞风险安全评估

针对自由飞行的安全性,对自由飞行环境下的碰撞风险进行研究.首先,通过对飞机在航迹上任意时刻的三维坐标的研究,建立了自由飞行环境下的碰撞风险安全评估模型.然后,在三维坐标系的基础上加入了时间变量,推导出纵向重叠概率计算公式.分析自动相关监视(ADS)对纵向碰撞风险影响,据此建立了自由飞行环境下基于ADS性能的纵向碰撞风险评估模型.最后,通过实例对纵向碰撞风险进行了安全评估计算,计算结果符合实际情况,评估模型是可行的.并在此基础上提出了自由飞行环境下的碰撞风险安全评估的未来研究方向.     

三维PTT黏弹性液滴撞击固壁面问题的改进SPH模拟

基于光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法,对三维Phan-Thien Tanner(PTT)黏弹性液滴撞击固壁面问题进行了数值模拟.为了有效地防止粒子穿透固壁,且缩减三维数值模拟所消耗的计算时间,提出了一种适合三维数值模拟的改进固壁边界处理方法.为了消除张力不稳定性问题,采用一种简化的人工应力技术.应用改进SPH方法对三维PTT黏弹性液滴撞击固壁面问题进行了数值模拟,精细地捕捉了液滴在不同时刻的自由面,讨论了PTT黏弹性液滴不同于Newton(牛顿)液滴的流动特征,分析了PTT拉伸参数对液滴宽度、高度和弹性收缩比等的影响.模拟结果表明,改进SPH方法能够有效而准确地描述三维PTT黏弹性液滴撞击固壁面问题的复杂流变特性和自由面变化特征.     

乙醇液滴撞击高温壁面蒸发过程的模拟预测研究北大核心CSCD

采用CLSVOF方法,引入描述壁面润湿特性的动态接触角,建立了乙醇液滴撞击高温壁面的数值模型,对乙醇液滴撞击高温壁面后的沸腾蒸发过程展开了研究,并与实验数据进行了对比验证.研究表明:在相同液滴温度下,壁面温度越高,亲水性越强,乙醇液滴的撞击速度越快,液滴的沸腾时间越早,蒸发完成所用时间也越短.在此研究基础上,基于机器学习算法,建立了液滴蒸发预测模型,对乙醇液滴撞击高温壁面后蒸发剩余量随时间的变化进行了预测研究,并通过将不同机器学习算法的预测结果与模拟结果对比,选出最优预测模型.     

Lagrangian and Eulerian models for simulating turbulent dispersion and coalescence of droplets within a spray

Lagrangian and Eulerian modelling approaches are compared for simulating turbulent dispersion and coalescence of droplets within a spray. Both models predict similar droplet dispersion rates and shifts in droplet size distribution due to coalescence within the spray, over a wide range of droplet and gas flows, and for sprays with different droplet-size distributions at the nozzle exit. The computer time required for simulating coalescence within a steady axisymmetric spray is of a similar order of magnitude regardless of which formulation, Eulerian or Lagrangian, is adopted. However, the Lagrangian formulation is more practical in terms of the range of applicability and ease of implementation.     

Containerless rapid solidification of undercooled Cu-Co peritectic alloys

Droplets of Co-16%Cu and Co-71.6%Cu peritectic alloys were solidified during containerless processing in a 3_m drop tube. The microstructures of Co-16%Cu alloy droplets were characterized by dendritic or equiaxed α-Co phase with a small amount of Cu-rich solid solution distributed on α-Co phase boundaries. Two thresholds of droplet diameter were observed for Co-16%Cu alloy at which "equiaxed-dendritic-equiaxed" morphological transitions occur to primary α-Co phase. This conspicuous refinement of primary α-Co grains results from the fragmentation of α-Co dendrites caused by recalescence effect. For Co-71.6%Cu alloy, the primary α-Co phase forms as coarse columnar dendrites in large droplets and equiaxed dendrites in small droplets. Theoretical calculations indicate that Marangoni migration contributes more to the growth of disperse Co-rich spheres by stimulating collision and coalescence than Stokes motion caused by the residual gravity in the falling Co-71.6%Cu alloy droplets.     

Rotor dynamics behavior of turbo-expander involving droplet impact

ABSTRACT

This paper dedicates on the rotor dynamics behaviour research on the turbo-expander rotor system involving droplet impact. A stochastic model based on Beta distribution and Bernoulli distribution of droplet generation is established and the formulations of droplet impact forces are deduced, which is applied on the rotor dynamics equations of the tilting pad bearing supported turbo-expander considering the temperature gradient for a further analysis. A time domain research is carried out and a conclusion that continuously droplet impact will perturb the steady vibration of the turbo-expander rotor system is obtained. Monte Carlo method is implemented for a statistics dynamics research and the results suggests that in the design of expander impellers, in order to decrease the uncertainty brought by droplet impact, the number of channels should be as few as possible, the droplet impact should be controlled to occur uniformly, and the collision, entrainment of the primary droplets and the stripping of the liquid film on the blade should be strictly restrained.     

基于格子Boltzmann方法的液滴撞击具有不同润湿性孔板的研究

基于格子Boltzmann方法,对液滴撞击不同湿润性节流孔板表面进行了数值模拟.主要研究了在液滴撞击过程中,Weber数(We)、孔板表面湿润性和孔板尺寸对液滴通过孔板时不同状态的影响.数值模拟结果表明:孔板为亲水特性时,在较低We下,液滴不会与孔板表面脱离,而是附着在孔板下表面,并且在毛细作用下液滴会在孔道中上升一段...     

Internal Flow Analysis for Slow Moving Small Droplets in Contact with Hydrophobic Surfaces

Internal fluid flow behavior for slow moving small droplets in contact with hydrophobic surfaces is analyzed. The shape of the droplet is first computed using the Young-Laplace equation. For this purpose a Finite Element (FE) model [1], in which contact constraints are enforced through Penalty and Augmented Lagrange Multiplier methods, is used. The flow field within the droplet is then analyzed using the Stokes flow model, considering a de-coupled approach. Similar to the membrane deformation model, the formulation for the flow analysis is also expressed in the framework of FE analysis. Both, stabilized (Pressure Stabilizing/Petrov-Galerkin PSPG) and Galerkin FE formulations are considered. The motion of the fluid inside the droplet is governed by the slip condition enforced on the membrane of the droplet. Numerical examples for droplets rolling steadily are presented. (© 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Dynamics of droplets in an agitated dispersion with multiple breakage. Part I: formulation of the model and physical consistency

In (Proc. Symp. Lectures Appl. Math. 2000; 123–141) a new model for the evolution of a system of droplets dispersed in an agitated liquid was presented, with the inclusion of the so‐called volume scattering effect (a combination of coalescence and breakage). In that paper droplets breakage was considered to be binary, in order to simplify exposition. Here we remove that limitation, investigating the effect of each breakage mode and of scattering with multiple exits. We also allow the breakage kernel, at each mode, to become singular when droplets approach their finite maximum admissible size. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

具有蒸发液滴两相介质近壁流动的数学分析

在双连续介质理论框架下，采用匹配渐进展开方法导出并求解了具有蒸发液滴的汽雾流中层流边界层方程，给出了控制汽雾流的相似判据。对于沿曲面的流动，边界层方程的形式取决于是否存在液滴的惯性沉积。给出了热钝体驻点附近蒸汽－液滴边界层的数值计算结果。它们表明：由于蒸发，在边界层内近壁处形成了一个无液滴区域；在该区上边界处，液滴半径趋于零而液滴数密度急剧增高。液滴蒸发及聚集的联合效应造成了表面热流的显著增加，甚至在自由来流中液滴质量浓度很低时此效应依然存在。