剪切流中液滴变形断裂机理的实验研究

本文描述了剪切流动中牛顿液滴在不相溶连续体相中的变形断裂的机理,采用逆向旋转透明Couette装置及微距摄相技术研究剪切流动中液滴的断裂.实验结果表明液滴的断裂取决于毛细数和粘度比,并通过三种机理得以实现:颈缩、端部夹断和毛细不稳定性.实验结果揭示了产生毛细断裂时的临界液线直径、无量纲毛细波长与剪切率和初始液滴尺寸关系.     

T型微通道内溶胶液滴形成过程

以制备空心玻璃微球的前体溶胶和硅油为原料,采用实验观测和数值模拟的方法,对T型微通道内溶胶乳液形成过程进行研究。基于液滴的受力分析,建立了液滴形成过程的数学模型,探讨了液滴大小的变化规律。研究结果表明:对于给定的物料体系和T型微通道,通过改变两相流量可以有效地控制液滴尺寸;在相同的分散相流量条件下,增大连续相流量可以减小液滴尺寸,但连续相流量大到一定程度后,这种效果逐渐减弱;在给定的连续相流量条件下,分散相流量越大,液滴直径越大;利用数学模型计算出的液滴直径与实验值偏差在10%左右。根据模拟结果和摄像分析,液滴产生过程经历了静态长大和缩颈剥离两个主要阶段。     

基于格子Boltzmann方法的液液不混溶两相流动数值模拟

具有介观特性的格子Boltzmann方法能够准确方便地捕捉相界面细节,在两相流动领域具有广泛的应用前景.本文在简要介绍格子Boltzmann方法的基础上,利用格子Boltzmann方法的颜色模型对四类经典两相流动问题进行了模拟,界面张力的Laplace定律验证、单液滴松弛过程、两个液滴融合过程、水平通道内不混溶液液两相流动.结果表明,液滴界面张力符合Laplace定律;黏性越大,液滴松弛过程越稳定;界面张力越大,液滴融合速度越快;格子Boltzmann方法能够有效描述液液两相流动的界而信息。研究工作为应用格子Boltzmann方法分析两相流动问题奠定了理论基础.     

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.     

液滴撞击圆柱壁面后液膜最大扩展长度的理论分析

液滴撞击圆柱壁面后,液膜的最大扩展长度是液滴动力学行为的重要方面之一.本文基于能量守恒原理,考虑液滴撞击圆柱壁面前后的动能、重力势能和表面自由能的变化以及液膜扩展过程中的黏性耗散能,建立理论分析模型,获得液膜在圆周方向和轴向上最大扩展长度之间的关系;结合相关文献由实验获得的液膜在轴向上最大扩展长度的经验关联式,进一步求解得出液膜在圆周方向上的最大扩展长度,最后将其计算值与实验测量值进行对比,发现其偏差在7％内,从而验证了模型的可靠性.     

润湿性梯度驱动液滴运动的格子Boltzmann模拟

运用考虑了固体与液体间分子作用力的格子Boltzmann方法,数值研究了由于固液界面上表面张力梯度引起的Marangoni效应驱动的液滴运动.当表面张力梯度较小时,计算结果和前人的理论预测符合较好.而表面张力梯度较大时,由于液滴不变形和准平衡态等假设不再满足,理论预测的液滴运动速度高于数值模拟的结果.计算结果显示,在向亲水端运动过程中液滴内部出现旋涡结构,当润湿性梯度较大时,其前进速度和接触角随时间变化出现振荡.     

液滴冲击液膜过程实验研究

实验显示了液滴撞击物体表面液膜后产生水花、发生飞溅,特别是产生“钟形”水花等的流动现象.根据实验结果,探讨了液滴冲击速度、液体黏性、表面张力、液滴直径和液膜厚度等对液滴冲击后产生的流动现象,以及液膜形状演化的影响,分析了观测到的鲜有文献报道的液滴撞击液膜后产生“钟形”水花的现象. 关键词： 液滴 液膜 冲击 流动显示     

液滴冲击液膜过程实验研究

实验显示了液滴撞击物体表面液膜后产生水花、发生飞溅,特别是产生“钟形”水花等的流动现象.根据实验结果,探讨了液滴冲击速度、液体黏性、表面张力、液滴直径和液膜厚度等对液滴冲击后产生的流动现象,以及液膜形状演化的影响,分析了观测到的鲜有文献报道的液滴撞击液膜后产生“钟形”水花的现象.     

润湿性梯度驱动液滴运动的格子Boltzmann模拟

运用考虑了固体与液体间分子作用力的格子Boltzmann方法,数值研究了由于固液界面上表面张力梯度引起的Marangoni效应驱动的液滴运动.当表面张力梯度较小时,计算结果和前人的理论预测符合较好.而表面张力梯度较大时,由于液滴不变形和准平衡态等假设不再满足,理论预测的液滴运动速度高于数值模拟的结果.计算结果显示,在向亲水端运动过程中液滴内部出现旋涡结构,当润湿性梯度较大时,其前进速度和接触角随时间变化出现振荡. 关键词： 润湿性 格子Boltzmann方法 Marangoni效应 液滴     

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.     

微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟

微小液滴在不同能量表面上的润湿状态对于准确预测非均相核化速率和揭示界面效应影响液滴增长微观机理具有重要意义. 通过分子动力学模拟, 研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态. 结果表明, 固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同液滴铺展速率和润湿特性. 固液作用强度小于1.6的低能表面呈现疏水特征, 继续增强固液作用强度时表面变为亲水, 而固液作用强度大于3.5的高能表面上液体呈完全润湿特征. 受微尺度条件下非连续、非对称作用力影响, 微液滴气液界面存在明显波动, 呈现与宏观液滴不同的界面特征. 统计意义下, 微小液滴在不同能量表面上铺展后仍可以形成特定接触角, 该接触角随固液作用强度增加而线性减小, 模拟结果与经典润湿理论计算获得的结果呈现相似变化趋势. 模拟结果从分子尺度为核化理论中的毛细假设提供了理论支持, 揭示了液滴气液界面和接触角的波动现象, 为核化速率理论预测结果和实验测定结果之间的差异提供了定性解释.     

直接甲醇燃料电池阴极水淹过程实验研究

对自制可视化直接甲醇燃料电池单体阴极流场内液滴生长特性、氧气流量和氧气进气温度对流场水淹及电池性能的影响进行了实验研究.结果表明:平行流场中首个液滴大多在流场右上区域冒出;流场中新液滴的出现具有瞬间涌出特性,并优先在流场板和扩散层交界的夹角处及扩散层表面碳纤维束交叉处产生;液滴生长过程具有非连续性,与流道边壁相接触的液滴和液柱的生长速度均大于未接触流道边壁的液滴生长速度,而且液柱有逆气流方向反向生长现象.氧气流量及氧气进气温度的升高,均导致阴极流道内液态水和流场中大液滴数量及形成液柱的长度减少,促使电池性能提高.     

油面上相邻Leidenfrost液滴的相互作用及运动机制

热油面液滴蒸发是自然现象,已有研究侧重于单滴蒸发,对于热油面上多滴蒸发的认识较少.本文研究了热硅油面两个等直径FC-72液滴的Leidenfrost蒸发,油温为74.0—130.0℃,液滴初始直径为1.5 mm,采用红外热成像及高速摄影测量,发现热油面液滴蒸发存在非聚合、弹跳、分离3个阶段.本文理论分析了液滴在水平方向的受力,包括非均匀液滴温度产生的Marangoni力、重力水平分量、润滑推动力、黏性力.尺度分析表明Marangoni力和重力水平分量起关键作用,Marangoni力趋向于液滴分离,重力水平分量趋向于液滴聚合.在非聚合蒸发阶段,重力水平分量克服Marangoni力,但两液滴间存在气膜夹层,解释了两个液滴看似接触但不聚合的现象.随液滴尺寸减小,重力水平分量减小,不足以克服Marangoni力,这是导致蒸发后期两滴分离的主要原因.最后通过将模型得到的不同阶段间的转换时间同测量值进行对比,证实了上述解释.本文研究有助于理解复杂的Leidenfrost液滴动力学现象和机理.     

液滴冲击液膜问题的光滑粒子动力学模拟

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,采用了一种新型的耦合边界条件,添加了表面张力和人工应力的计算程序．应用改进的光滑粒子动力学方法对液滴冲击液膜问题进行了数值模拟．得到了不同时刻液滴内部的压力变化特征,精细地捕捉了不同时刻的自由面,从机理上分析了液滴产生飞溅的条件,探讨了韦伯数,表面张力对液滴冲击液膜问题的影响．计算结果表明,改进光滑粒子动力学方法能够有效地描述液滴冲击液膜的动力学特性和自由表面变化特征,能够得到稳定精度的结果．     

微观结构尺度对液滴润湿状态的影响

在分析表面微观特征对液滴润湿状态的影响时,尺度效应是无法绕过的前提条件和分析基础。本文以矩形微结构表面液滴为研究对象,通过数值模拟,得到了给定微结构表面液滴在不同液滴半径与矩形微结构宽度比例下的润湿状态。此外,本文还模拟得到了液滴完全浸润矩形微结构的临界接触角及其相对于微结构尺寸的变化规律。结果表明,液滴半径与微结构宽度比越小,液滴下气液界面开始浸润微结构时的临界接触角越大,无重力条件下表面液滴下气液界面的稳定性越差。若重力不可忽略,则液滴半径与微结构宽度比越大,重力的影响越大,表面液滴下气液界面的稳定性越差。     

简单剪切流条件下液滴破碎和碰撞模拟

利用耗散粒子动力学(DPD)对简单剪切流条件下液滴的破碎和碰撞分离过程进行了模拟.液滴由多颗简单的DPD粒子构成,液滴与周围流体的不互溶性由提高它们之间的保守力系数获得.通道的上下壁面沿着相反方向运动从而使流体产生简单剪切流动.计算结果表明,在简单剪切流条件下,当界面张力数超过临界界面张力数后,液滴不稳定;液滴将被拉长并破碎成数个较小的稳定的液滴.当两个液滴相互碰撞并分离的现象发生时,两个液滴的质心在速度梯度方向上的距离与整个碰撞过程相关,碰撞之后的δz值比碰撞前的δz大.     

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.     

水平管油水分散流液滴粒径及其分布规律研究

油水两相分散流是油水混输管道常见的流型之一,液滴是油水分散流的主要特征,液滴在油水两相管路中受到湍流惯性力、剪切力、界面张力、黏性力等多种力的作用而发生聚结和破裂,从而形成不同的液滴粒径及其分布。本研究采用高速摄像和显微照相两种方法研究了水平管中油水分散流的液滴粒径随混合流量、温度和含油率等参数的变化规律,并利用三种概率分布函数研究了液滴粒径的分布特性。研究结果表明:分散相液滴的Sauter平均直径随混合流量的增加而逐渐减小、随温度升高而逐渐增大、随含油率的增大而增大;液滴粒径的分布规律与Log-Normal和Frechet概率分布函数符合较好。     

液滴撞击液膜过程的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法对液滴撞击液膜过程进行了研究, 主要考察了雷诺数(Re)、韦伯数(We)、相对液膜厚度 (h) 以及表面张力 (σ) 等物理参数对界面运动过程的影响. 首先, 随着Re数和We数的增加, 可以明显观察到液滴撞击液膜过程中形成的皇冠状水花以及卷吸现象; 当Re数较大时, 液体会发生飞溅, 由液体飞溅形成的小液滴则会继续下落, 并与液膜再次发生碰撞. 其次, 当相对液膜厚度较小时, 液滴撞击液膜并最终导致液膜断裂; 然而随着相对液膜厚度的增大, 尽管撞击过程溅起的液体会越来越多, 但是液膜并不会发生断裂. 再次, 随着表面张力的增大, 界面变形阻力增大, 撞击过程中产生的界面形变也逐渐减弱. 最后还发现皇冠(由液滴溅起形成)半径r 随时间满足r/(2R) ≈ α√Ut/(2R), 这一结果与已有结论是一致的.     

碰撞聚合引起液滴数目变化的生灭过程模型

液滴碰撞聚合是气体/液滴两相流动中的重要现象.为研究碰撞聚合引起的液滴数目变化,考虑液相仅包含大小两类尺寸液滴的情形,计算不同尺寸的两个液滴间的碰撞概率,对固定观察区域内液滴的碰撞聚合、迁入及迁出因素作随机分析,建立描述液滴数目变化的生灭过程模型.由无条件概率模型方程,得出模型方程的相应平稳分布.以雨滴下落过程的质量增长为例,说明所得分布在气体液滴两相流动中的应用.