基于范德瓦尔斯表面张力模式液滴撞击疏水壁面过程的研究

液滴撞击疏水壁面过程的研究在介观流体力学和微流体作用材料科学的研究中具有重要的理论意义和工程价值. 论文在SPH方法中引入范德瓦尔斯状态方程处理液滴表面张力, 考虑流体粒子之间远程吸引, 近程排斥的内部作用力, 提出了流体粒子与疏水壁面粒子间势能函数与表面张力相结合的作用模式. 通过模拟真空条件下两个静止的等体积液滴相互融合的过程, 验证了计算模式在模拟液滴的表面张力中的有效性. 采用该模式模拟的液滴撞击疏水壁面过程, 不仅能够有效地模拟液滴撞击壁面后的变形过程, 而且清晰地模拟出液滴的回弹、腾空以及二次撞壁现象的完整过程. 模拟结果与液滴撞击疏水壁面的实验结果以及VOF模拟结果符合较好, 表明本文所提出的表面张力和疏水壁面作用力处理模式对模拟液滴撞壁过程具有实际应用价值.     

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     

单液滴撞击倾斜液膜飞溅过程的耦合Level Set-VOF模拟

采用耦合水平集--体积分数法(CLSVOF)对液滴撞击倾斜表面液膜后液膜的形态演化及飞溅过程进行数值模拟, 并对液滴撞击液膜过程中形成的空气卷吸现象进行研究并探讨了撞击角对此的影响, 分析了液滴撞击后液体内部的压力和速度分布, 对液滴撞击倾斜表面液膜的飞溅过程进行讨论, 并与实验结果进行了对比, 验证了CLSVOF方法研究液滴撞击倾斜液膜的可行性. 结果表明, 液滴撞击倾斜液膜时前后两部分飞溅现象产生的机理不同, 前半部分飞溅是由于压差引起的颈部射流, 而后半部分则是由液膜径向流动产生的飞溅现象. 随着撞击角的增大, 空气卷吸气泡数量减少.     

基于不可压缩光滑粒子动力学的黏性液滴变形过程仿真

应用基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学(incompressible smoothed particle hydrodynamics, ISPH)法对黏性液滴变形过程进行了数值仿真. 对于张力失稳导致的粒子非物理簇集问题, 采用粒子移位技术加以解决. 为了验证本文ISPH 算法的精度和稳定性, 分别模拟了圆形黏性液滴的拉伸变形过程以及方形液滴的旋转变形过程, 得到了不同时刻液滴内部的压力变化特征, 准确地捕捉了液滴自由面演化过程, 并将数值计算结果与文献中的解析解进行了比较.分析结果表明, 基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学方法结合粒子移位技术, 能够有效地模拟黏性液滴变形过程, 可以得到精确和稳定的结果. 关键词： 不可压缩光滑粒子动力学 黏性液滴 自由面流动 数值仿真     

格子Boltzmann方法模拟双液滴撞击液膜的流动过程

采用单相自由面格子Boltzmann方法中流场计算,自由面条件和表面张力处理方法,研究双液滴撞击液膜的流动过程,实现对垂直间隔的两液滴相继撞击液膜流动过程的模拟.数值结果表明,液滴相继冲击液膜时,液滴间上下距离对液膜状态有很大的影响,液滴间距不同,液膜形状会出现很大差异.数值结果与实验结论定性一致.     

双液滴撞击平面液膜的流动与传热特性

采用耦合的水平集-体积分数法(CLSVOF)对双液滴连续撞击恒定壁温壁面上的热液膜的流动和换热特性进行了数值模拟及分析,得到了双液滴撞击热液膜后形态演变的过程.分析了液滴垂直间距、撞击速度、液膜厚度以及液滴直径对双液滴撞击液膜后的流动与传热特性的影响,结果显示,壁面平均热流密度随液滴撞击速度的增大而增大,液滴垂直间距、液膜厚度和液滴直径对平均热流密度的影响较小,但会对热流密度在撞击区域和交界区的分布产生重要影响.     

SPH方法在液固撞击数值模拟中的应用

对液滴分别采用光滑粒子流体动力学(SPH)和任意拉格朗日-欧拉(ALE)两种方法模拟液滴高速冲击有机玻璃(PMMA)过程中液滴的变形、固体结构的损伤.结果表明:两种算法中结构表面的损伤情况与Brunton实验数据吻合,证明了数值分析方法的可行性和精确性;此外,对比发现SPH方法模拟液固撞击过程更具有优势.利用SPH方法分析实际工程问题,验证了两种工程处理技术可以有效地提高螺旋桨抗雨水的冲击能力.     

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.     

液滴撞击热壁面流态演变及传热特性研究进展

液滴撞击热壁面因其优异热质传递能力而广泛应用于能源、化工、航空航天等领域,针对液滴撞击热壁面流动传热特性及影响机制的研究对强化喷雾冷却及降膜蒸发器的传热效率至关重要.从实验研究、数值模拟、解析理论三方面,综述了液滴撞击热壁面过程的流态演变及传热特性研究进展,对比分析了典型研究方法的研究结果及特点.发现TIR(全内反射成...     

冷壁上单个静止过冷液滴冻结过程的数值模拟

以飞机飞行过程中过冷液滴撞击飞机表面所发生的结冰现象为背景,数值研究冷壁上单个静止过冷液滴的冻结过程。考虑重力作用下液滴的变形,并将过冷液滴冻结过程中成核再辉阶段的影响转化为物性参数的变化和模拟的初始条件,基于Fluent凝固/融化模型,模拟单个静止过冷液滴的冻结过程,模拟所得液滴冻结过程与文献中的实验结果吻合良好,最终冻结时间偏差为12.5%。进一步研究过冷度、壁面接触角、来流速度对过冷液滴冻结过程的影响,结果表明:过冷度越大,壁面接触角越小,来流速度越大,过冷液滴冻结越快,最终冻结时间越短,为研究飞机结冰机理提供参考。     

液滴碰撞液膜润湿壁面空气夹带数值分析

采用复合水平集-流体体积法并综合考虑传热及接触热阻的作用, 对液滴碰撞液膜润湿壁面空气夹带现象进行了数值分析. 揭示了夹带空气形成机理, 探索了夹带空气特性参数随碰撞速度和液膜厚度的变化规律, 获得了夹带空气作用下液滴碰撞润湿壁面的传热机理. 研究结果表明: 撞壁前气液两相压力差是引起气液相界面拓扑结构变化以及夹带空气形成的主要原因; 液滴碰撞速度与压缩空气层内压力以及相界面形变高度密切相关; 液滴接触液膜时, 碰撞轴上液滴底部和液膜表面速度相等, 大约是碰撞速度的1/2; 碰撞速度对夹带空气层底部到破碎点的无量纲弧长和最大无量纲夹带空气直径均存在较大的影响; 液滴和液膜的无量纲形变高度与斯托克斯数密切相关; 液膜初始厚度对液滴和液膜的无量纲形变高度和最大无量纲夹带空气直径影响较大; 撞壁初始阶段, 碰撞中心区域夹带空气对壁面热流密度分布存在较大的影响.     

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.     

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.     

小液滴撞击壁面传热特性数值分析

小液滴撞击壁面现象在喷雾冷却等领域都有广泛应用.为研究小液滴(微米)撞击热壁面(非沸腾区)传热过程,建立了二维液滴撞壁瞬态模型,并采用相场方法对小液滴换热过程中对流热通量和导热热通量的大小进行了对比.研究结果表明:液滴撞击壁面初期形成“冷斑”,有利于小液滴与壁面的传热;小液滴撞击壁面过程中热通量峰值存在于三相接触点附近,数量级在105—106 W/m²;小液滴撞击壁面过程中受壁面浸润性和液滴尺寸对传导热通量的影响较为显著,而速度和液滴尺寸对对流热通量的影响较为显著;大多数情况下,小液滴撞击壁面传导热通量数量级在103—105 W/m²,对流热通量数量级在104—106 W/m²,对流热通量大于传导热通量,在整个换热过程中占据主导地位.     

Numerical and experimental investigations of splat geometric characteristics during oblique impact of plasma spraying

Splats are obtained on the substrates inclined at different angles (0°, 20°, 40° and 60°) by plasma spraying process and characterized by SEM and WYKO^® optical surface profiler. Numerical model is developed using CFD software FLOW-3D^® to simulate the process of droplet impact, spreading and solidification onto the substrates. Splat characteristics such as spread factor, aspect ratio and fractional factor are defined and compared between simulation and experiment. Fair agreements are obtained. In addition, the impacting behavior including spreading and solidification are analyzed in details from the simulation results. The rates of reduction in droplet kinetic energy during impact, spreading and solidification are also compared between different inclination angles.     

Simulation solution for micro droplet impingementon a flat dry surface

This paper presents a computational fluid dynamics approach for micro droplet impacting on a flat dry surface. A two-phase flow approach is employed using FLUENT VOF multiphase model to calculate the flow distributions upon impact. The contact line velocity is tracked to calculate the dynamic contact angle through user defined function program. The study showed that the treatment of contact line velocity is crucial for the accurate prediction of droplet impacting on poor wettability surfaces. On the other hand, it has much less influence on the simulation of droplet impacting on good wettability surfaces. Good fit between simulation results and experimental data is obtained using this model.     

带凹槽的微通道中液滴运动数值模拟

运用改进的耗散粒子动力学方法模拟了液滴在由凹槽所构成的粗糙表面微通道内的运动行为.改进的耗散粒子动力学方法采用新近提出的一种短程排斥、长程吸引相互作用势能函数,从而可以模拟带有自由面的流体,如液滴等.模拟了新势能函数下液滴与固体壁面的静态接触角,并用2次多项式拟合了"接触角-a_wf/a_f"变化曲线.研究了液滴在带凹槽的微通道中运动时,微通道壁面浸润性、外场力、液滴温度对液滴流动特性的影响.研究表明壁面浸润性和外场力对液滴流动特性的影响较大,液滴温度对液滴流动特性的影响较小.研究结果对运用耗散粒子动力学方法模拟并分析微流体在复杂微通道的流动有一定的参考价值.     

油滴撞击油膜层内气泡的变形与破裂过程的数值模拟

旋转工作的机械零部件和机械设备的润滑系统工作过程中普遍存在着油滴和油膜的碰撞行为,这一行为易引起气泡夹带现象.气泡将对油滴撞击油膜时的运动过程和附壁油膜层的形成质量造成不可忽视的影响.基于耦合的水平集-体积分数方法,对油滴撞击含气泡油膜的行为进行数值模拟研究,考察油膜层内气泡的变形运动过程,分析气泡大小和位置等因素对撞击过程中气泡变形特征参数的影响规律,并探讨气泡破裂的动力学机制.研究表明,随着气泡直径的增大,油滴撞击含气泡油膜后气泡会依次出现自由表面破裂、稳定变形以及油膜内部破裂等现象;直径d=20μm的气泡能较稳定地存在于油膜层内,同时该值也是气泡发生自由表面破裂和油膜内部破裂的临界值.此外,气泡所在位置同样对气泡变形历程有一定影响,气泡越接近油膜表面,其变形量越大;位于油膜底层的气泡会附着在壁面上.在自由表面破裂和油膜内部破裂过程中,气泡破裂是由气-液界面不稳定引起的,表面张力对这两种现象起重要作用;而黏性剪切力对油膜内部破裂现象也有着不可忽视的影响.     

液体物性对雾化射流液雾粒径的影响

对不同液体在空气中湍动雾化射流的气液两相流场进行了数值模拟.建立了一次雾化的一维模型,分析了粘度、表面张力和气液质量流量比对液雾粒径的影响趋势,采用基于粒子追踪法的二次雾化三维模型,分析了物性和各种工况对液雾粒径沿轴向分布的影响程度.计算结果和已公开发表的实验数据进行比对,得到了较好的吻合,在此基础上,分析了影响气泡雾化喷嘴雾化质量的主要因素.