基于光滑粒子动力学方法的液滴冲击固壁面问题数值模拟

采用改进的光滑粒子动力学(SPH)方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性, 在传统的SPH方法的基础上对粒子方法中的密度和核梯度进行了修正, 采用了考虑黎曼解法的SPH流体控制方程, 构造了一种新型的粒子间相互作用力(IIF)模型来模拟表面张力的影响. 应用改进的SPH方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 计算结果表明：新型的IIF 模型能够较好地模拟表面张力的影响, 改进的SPH方法能够精细地描述液滴与固壁面相互作用过程中液滴的内部压力场演变和自由面形态变化, 液滴的铺展因子随初始韦伯数的增大而增大, 数值模拟结果与实验得到的结果基本一致. 关键词： 液滴 固壁面 光滑粒子动力学 表面张力     

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.     

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     

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.     

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.     

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.     

中空液滴碰撞水平壁面数值分析

采用耦合水平集-体积分数法并综合考虑传热及接触热阻作用建立了中空液滴碰撞水平壁面数值模型,并验证了模型的可靠性.通过分析计算结果,获得了中空液滴与实心液滴撞壁的动力学特征差异,揭示了中空液滴撞壁流动传热机理和中心射流形成机制,探索了碰撞速度和壁面浸润性对中空液滴撞壁动力学和传热特性的影响.研究表明:中空液滴撞壁后中心射流特征明显,并伴随有射流收缩和液壳破碎等现象.中空液滴内部压力梯度是液滴铺展、中心射流产生和发展的主要原因;撞壁过程中中心射流表面温度分布较为均匀,破碎液壳表面温度分布波动较大.碰撞速度与中空液滴撞壁最大铺展系数的相关性较小,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较大;壁面浸润性与中空液滴撞壁后期铺展系数的相关性较大,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较小.     

爆炸焊接斜碰撞过程的数值模拟

 借助动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA 11.0,建立了考虑材料强度的流体弹塑性力学模型,运用光滑粒子流体动力学（SPH）方法,对爆炸焊接斜碰撞过程进行了数值模拟。界面波和射流的模拟结果与爆炸焊接生产实际中的现象较为吻合,说明采用SPH方法对爆炸焊接斜碰撞过程进行模拟研究是有科学价值的。     

小韦伯数下液滴撞击光滑壁面的数值模拟

采用界面追踪法数值模拟了液滴以小We撞击光滑壁面的动力学过程.通过数值模拟发现,当液滴初始动能较小时(We=12),液滴表面能主导了能量转换过程,因此最大铺展率βmax随Re增加而单调增加;当液滴初始动能继续增加到中等程度时(We=30),能量转换主导因素存在液滴黏性与液滴变形诱导强应变的竞争机制,最终导致βmax随Re增加而非单调变化,而液滴残余动能随Re增加而增大也进一步促进了非单调βmax;随着液滴初始动能的进一步增加(We=60),动能主导了液滴铺展的能量转换过程,最大铺展率βmax再次随Re增加而单调增加.当液滴处于"无气膜"铺展时,液滴底部表面张力的消失导致液滴可有更大的βmax.     

液滴在气固交界面变形移动问题的光滑粒子流体动力学模拟

为准确模拟液滴在气固交界面变形移动问题,对基于连续表面张力模型的表面张力光滑粒子流体动力学方法进行了改进.改进方法采用新的边界处理方式和界面法向修正方法,即将固体边界虚粒子色函数值根据液面的位置进行相应设定以保证气-液-固三相交界处流体粒子的界面法向沿接触线法线方向,引入Brackbill提出的壁面附着力边界条件处理方法,对在气-液-固三相交界处的流体粒子及部分固体边界虚粒子的界面法向进行修正,修正前后保持法向模值不变,得到了含壁面附着力边界条件的表面张力算法.模拟了受壁面附着力影响的水槽中液面的变化过程、液滴润湿壁面过程和剪切气流驱动液滴在固体表面变形脱落过程,并与流体体积函数方法进行了对比.结果表明,该方法在处理壁面附着力问题时精度较高,稳定性较好,适合处理工程中液滴在气固交界面变形移动问题.     

液滴撞击液膜的射流与水花形成机理分析

建立了单液滴撞击平面液膜的物理与数学模型,采用Coupled Level Set and Volume of Fluid方法对这种现象进行了数值模拟,探讨了黏度和表面张力对冠状水花形态的影响.通过分析撞击后液体内部的压力和速度分布,揭示了液滴颈部射流的产生机理,验证了Yarin和Weiss提出的运动间断理论.研究显示,表面张力对冠状水花形态的影响远大于黏度的影响.颈部射流的产生主要是由于撞击后颈部区域局部较大压差造成的,随着撞击过程的继续,压差作用减弱;液膜内流体的径向运动对射流发展成冠状水花具有推动作用.     

Simulation of impact of a hollow droplet on a flat surface

Despite many theoretical and experimental works dealing with the impact of dense continuous liquid droplets on a flat surface, the dynamics of the impact of hollow liquid droplets is not well addressed. In an effort to understand dynamics of the hollow droplet impingement, a numerical study for the impact of a hollow droplet on a flat surface is presented. The impingement model considers the transient flow dynamics during impact and spreading of the droplet using the volume of fluid surface tracking method (VOF) coupled with the momentum transport model within a one-domain continuum formulation. The model is used to simulate the hydrodynamic behaviour of the impact of glycerin hollow droplet. It is found that the impact and spreading of the hollow droplet on a flat surface is distinctly different from the conventional dense droplet and has some new hydrodynamic features. A phenomenon of formation of a central counter jet of the liquid is predicted. With the help of simulations the cause of this phenomenon is discussed. Comparison of the predicted length of the central counter jet and the velocity of the counter jet front shows good agreements with the experimental data. The influence of the droplet initial impact velocity and the hollow droplet shell thickness on the impact behaviour is highlighted.     

均匀液滴氧发生器液流破断的线性分析

 在均匀液滴氧发生器的研究过程中，液滴的形成是关键技术。利用压电换能器对液流施加扰动，初始扰动沿液流表面呈指数增长，直到将液流夹断生成液滴。通过理论分析，发现在影响液流表面增长率的诸多参数中，碱性过氧化氢溶液(BHP)表面张力的增加和液体分配板板孔直径的减小能够增大扰动增长率，其他参数的改变对增长率的影响非常小。通过分析还发现，BHP液体的喷射流速不同，要取得最大增长率的外界扰动频率也随之变化，外界施加扰动的频率随液流喷射流速的增大而增大。这些结果为均匀液滴氧发生器的实验研究提供有力的参考依据。     

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.     

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.     

Visualization of impinging supersonic free jet on a tilt plate by LIF and PSP

The flow field structures of low density supersonic free jets impinging on a tilt plate are studied by hybrid use of LIF (Laser Induced Fluorescence) and PSP (Pressure Sensitive Paint). The jet through an orifice flows into a low pressure chamber and impinges on the tilt plate with angle from jet axis 45, 60 or 90 degrees. A plane including the jet axis and the normal of the plate is visualized by LIF of seeded iodine molecules, scanning a laser beam along the jet axis. On the other hand, the pressure distribution on the tilt plate is visualized by PSP. In comparing the results of the two methods, the complicated shock wave system is analyzed. Deformations of the Mach disk and the barrel shock are also confirmed.     

均匀液滴的形成机理及实验研究

 在均匀液滴O₂(¹Δ)发生器的研制过程中，发生器中液流受到外界扰动后，扰动沿着液流表面呈指数增长，最终导致液流破段成液滴。在液滴的形成过程中，各种参数的改变都将对液流的状态产生影响，最终影响O₂(¹Δ)发生器的总体性能。分别从理论和实验两部分对液滴的形成过程进行了对比分析:理论部分论述了液滴形成的理论依据及在发生器中，外界扰动频率、液流喷射流速的改变对扰动增长率的影响及影响趋势；实验部分以成像的方式着重分析了在相同条件下，分别改变扰动频率、液流喷射流速，液滴流的状态及趋势。实验结合理论，寻求可控参数范围，为均匀液滴发生器的液流研究提供依据。     

Computer simulation of expansion of a carbon laser plasma after ablation in nitrogen atmosphere

Computer simulation is employed for analyzing the dynamics of plasma expansion in nitrogen under a pressure of 103 and 104 Pa after the action of a nanosecond laser pulse on a graphite plate for obtaining carbonitride nanofilms with the help of laser ablation technology. The binary gas mixture is described using a macroscopic quasi-gasdynamic model taking into account momentum and energy transfer between mixture components. The results of simulation are compared for various initial values of temperature and pressure of the laser jet with the results of direct Monte Carlo simulation and with experimental data. The possibility of controlling the shock wave propagation modes after ablation by varying the initial values of gasdynamic parameters is demonstrated. The effect of nitrogen atmosphere on the propagation of the laser jet is studied.     

Numerical simulation of filler metal droplets spreading in laser brazing

A finite element model was constructed using a commercial software Fidap to analyze the Cu-base filler metal droplet spreading process in laser brazing, in which the temperature distribution, droplet geometry,and fluid flow velocity were calculated. Marangoni and buoyancy convection and gravity force were considered, and the effects of laser power and spot size on the spreading process were evaluated. Special attention was focused on the free surface of the droplet, which determines the profile of the brazing spot.The simulated results indicate that surface tension is the dominant flow driving force and laser spot size determines the droplet spreading domain.