液滴撞击移动表面动力学特性

试验观测了水滴撞击移动水平铝表面动力学行为,分析了液滴撞击移动表面铺展特征,探讨了液滴不同尾流形态的形成机理。试验研究发现,液滴撞击移动表面存在铺展及拉伸过程。表面剪切力对液滴动力学行为起决定作用,铺展阶段抑制液膜前端液指形成,拉伸阶段促进后端液指产生。表面剪切力对液滴纵向铺展因子影响较大,横向最大铺展因子随剪切韦伯数增大而减小。液滴拉伸后尾流可分为黏附沉积、液指断裂、单液指及多液指四种形态。     

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     

不同直径液滴撞击亲水壁面动态特性实验研究

本文通过可视化实验研究了不同直径液滴撞击亲水壁面的动态特性.实验利用光学原理同时记录了液滴撞击壁面过程的正面及底面图像。实验结果表明:液滴最大铺展因数随液滴初始直径近似呈线性增长关系;随液滴直径增大,液滴铺展至最大时需要的绝对时间、滞留时间、回缩时间均增长,稳定时的液固接触面积变大;液滴铺展至最大铺展因数所需要的无量纲时间约为1.68;液滴直径越小,则撞击后液膜回缩更为迅速.     

液滴撞击冷铝表面的冻结沉积特性

对单液滴撞击冷表面的动态特性进行试验研究,通过快速可视化观测,分析了直径2.6 mm液滴撞击冷铝表面的冻结行为.结果表明,液滴撞击冷表面动态行为可分为铺展、回缩以及冻结沉积阶段.冻结阶段包括铺展过程冻结以及回缩过程冻结.液滴撞击冷壁面前期(0～3.5 ms),We起主导作用,壁面温度对液滴铺展行为几乎无影响。但壁面温度对液滴回缩及冻结过程影响较大.相同We下,壁面温度T-20℃,液滴最大铺展因子基本相同,达到冻结的平衡态铺展因子均小于最大铺展因子,且随壁面温度降低而逐渐增加,为回缩过程冻结.壁面温度T≤-20℃时,液滴最大铺展因子与平衡态铺展因子相同,为铺展过程冻结。本文试验条件下壁面温度-20℃可作为区分液滴撞击冷壁面铺展与回缩冻结的临界温度.     

液滴低速撞击润湿球面现象观测分析

采用高速摄像仪以10000 帧/s的拍摄速度对液滴低速撞击润湿球体表面过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击后的反弹、局部反弹和铺展等现象, 考察了黏度对撞击过程的影响; 在此基础上, 定量讨论了液滴铺展特征参数随撞击速度、球体直径和黏度的变化规律. 观测发现: 黏度较大且撞击速度较低时, 撞击后可能出现反弹和局部反弹, 黏度较小时则不发生; 铺展面积随撞击速度的增大而增大; 黏度增大时, 铺展因子减小; 在球体直径为4–20 mm范围内, 随着球体直径的增加, 铺展因子呈上升趋势. 关键词： 液滴撞击 润湿球面 铺展 黏度     

液滴撞击超亲水表面冷液膜的研究

液滴撞击过程因具有较强的传热传质性能被广泛应用于工业领域中。本文利用高速摄影机和红外热像仪,研究了液滴撞击超亲水表面冷液膜的水力学特性和温度分布,探讨了撞击We数和液膜温度对撞击过程中水力学特性以及液膜温度分布的影响.总结了液滴在超亲水表面的液膜上的水力学特征的变化规律。实验结果表明,液滴铺展速度和最大铺展直径随撞击We数的增大而增大。同时,液膜温度会影响液滴撞击薄液膜后的水力学特性.在低We数下液滴撞击低温薄液膜后液膜的温度呈高低相间的环状分布,随着撞击We的增大,该环状温度分布消失。这对要求精确喷雾控温的工业过程起到了十分重要的意义.     

高炉渣熔融液滴撞击壁面行为特性实验研究

针对高温熔渣粒化技术的开发,本文通过可视化实验研究了高炉渣熔融液滴撞击不锈钢壁面的动态行为特性。结果表明:随液滴雷诺数增大,撞击过程液滴形态演变模式依次由铺展-回缩转变为铺展-回缩破碎和铺展-破碎-凝固;增大壁面粗糙度可减弱与壁面换热,抑制液滴铺展;减小壁面粗糙度促进液滴发生破碎;液膜回缩过程普遍出现回卷现象,壁面倾角越大,液膜回卷和液滴滚动现象越显著,且液滴铺展面积越大,在壁面停留时间越长;减小液滴雷诺数、减小壁面粗糙度并采用垂直粒化仓壁面有利于壁面防黏结。     

液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究

利用高速摄影仪记录了不同液滴撞击固体表面的形态变化过程, 并探讨了液滴撞击参数对撞击过程液滴形态的影响. 结果表明: 液滴黏度对液滴铺展过程起着决定性作用, 液滴表面张力对液滴铺展后的回缩起到主导作用, 两者的共同作用决定着液滴的震荡特性; 撞击速度的提高会增大液滴的最大铺展因子, 但达到最大铺展的时间因表面张力的不同呈现不同变化规律.     

液滴撞击超亲水表面的最大铺展直径预测模型

液滴撞击超亲水表面铺展之后形成的薄液膜铺展直径是喷雾冷却、降膜蒸发等传热传质过程的一项关键控制参数.以往模型在预测超亲水表面惯性力驱动下的最大铺展直径时,存在低韦伯数下呈反常趋势、高韦伯数下预测值偏低等问题.针对上述问题,本文采用高速摄像技术研究液滴撞击过程中的铺展水力学特性,发现了以往模型未完全考虑超亲水表面的铺展特性:球冠状液膜、高黏性阻力及重力势能做功.本文考虑了液膜球冠形态、重力势能、辅助耗散,修正了以往最大铺展直径的预测模型,并建立了适用于超亲水表面最大铺展直径的预测模型.通过对铺展过程中各能量成分分析发现,在超亲水表面上动能、表面能、重力势能均转化为黏性耗散能,其中:在低韦伯数下,表面能转化为黏性耗散能占主要作用;在高韦伯数下,动能转化为黏性耗散能占主要作用.并且,在低韦伯数下,重力势能和辅助耗散的引入对于准确预测超亲水表面最大铺展直径具有重要作用.将模型预测结果与实验结果比较发现,本模型成功消除了以往模型在低韦伯数下的反常趋势,且能较好预测宽韦伯数范围下超亲水表面最大铺展直径.同时,本模型可以预测亲水和疏水固体表面的液滴最大铺展直径.超亲水表面最大铺展直径的准确预测模型的提出对喷雾冷却,降膜蒸发中提高和控制流体铺展距离和传热效率具有重要意义.     

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.     

低温光滑壁面上水滴撞击结冰行为

采用高速摄像技术测试低温光滑壁面上水滴撞击结冰过程, 分析了撞击速度、壁面温度和材料热导率对水滴撞击铺展、振荡及结冰行为的影响规律. 结果表明, 低温壁面造成水滴最大铺展直径缩小, 且结冰时间随温度降低而缩短; 当撞击We数提高时, 水滴最大铺展直径增大, 而振荡和结冰时间减小; 同时材料热导率越高, 最大铺展直径越小, 结冰越迅速. 另外, 从热力学角度推导出水滴撞击结冰时间的理论公式, 预测误差<5.3%.     

Drop impact on superheated surfaces

At the impact of a liquid droplet on a smooth surface heated above the liquid's boiling point, the droplet either immediately boils when it contacts the surface ("contact boiling"), or without any surface contact forms a Leidenfrost vapor layer towards the hot surface and bounces back ("gentle film boiling"), or both forms the Leidenfrost layer and ejects tiny droplets upward ("spraying film boiling"). We experimentally determine conditions under which impact behaviors in each regime can be realized. We show that the dimensionless maximum spreading γ of impacting droplets on the heated surfaces in both gentle and spraying film boiling regimes shows a universal scaling with the Weber number We (γ~We(2/5)), which is much steeper than for the impact on nonheated (hydrophilic or hydrophobic) surfaces (γ~We(1/4)). We also interferometrically measure the vapor thickness under the droplet.     

液滴碰撞Janus颗粒球表面的行为特征

为研究液滴碰撞Janus颗粒(双亲性)球表面的独特行为特征,以粒径为5.0 mm铜球为材料制备了Janus颗粒,用直径为2.0 mm的液滴,在韦伯数(We)为2.7,10,20,30的测试情况下对Janus颗粒球表面进行了碰撞实验.结果表明:液滴碰撞Janus颗粒球表面后的运动可分为铺展、回缩、振荡和回弹4个过程.在不同We下,液滴碰撞Janus颗粒后的运动状态主要与表面润湿性相关,在Janus颗粒亲水侧表现为铺展特性且铺展系数γ随着时间t的增大而逐渐增大并趋于稳定;但在疏水侧,表现为回弹现象,铺展系数γ会出现类似"抛物线"形状;当液滴碰撞Janus颗粒球表面亲-疏水分界线时,液滴铺展和回弹同时发生.基于能量平衡和受力分析发现,液滴动能和表面能的互相转化是液滴铺展的关键,液滴会在重力、惯性力、表面张力、黏性力、接触力等力的综合作用下展现其独特的行为特征并最终达到平衡状态.     

Droplet impact on regular micro-grooved surfaces

We have investigated experimentally the process of a droplet impact on a regular micro-grooved surface. The target surfaces are patterned such that micro-scale spokes radiate from the center, concentric circles, and parallel lines on the polishing copper plate, using Quasi-LIGA molding technology. The dynamic behavior of water droplets impacting on these structured surfaces is examined using a high-speed camera, including the drop impact processes, the maximum spreading diameters, and the lengths and numbers of fingers at different values of Weber number. Experimental results validate that the spreading processes are arrested on all target surfaces at low velocity. Also, the experimental results at higher impact velocity demonstrate that the spreading process is conducted on the surface parallel to the micro-grooves, but is arrested in the direction perpendicular to the micro-grooves. Besides, the lengths of fingers increase observably, even when they are ejected out as tiny droplets along the groove direction, at the same time the drop recoil velocity is reduced by micro-grooves which are parallel to the spreading direction, but not by micro-grooves which are vertical to the spreading direction.     

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.     

A GENERAL HEAT TRANSFER CORRELATION FOR IMPACTING WATER SPRAYS ON HIGH-TEMPERATURE SURFACES

A method for the general correlation of heat transfer effectiveness for sprays impacting vertically downward on a high-temperature surface has been developed. A dimensional analysis showed that the mass velocity of the spray can be substituted for the droplet velocity in the droplet Reynolds and Weber numbers, greatly improving the correlation with the heat flux data in the film boiling regime. The spray Reynolds number, defined as Re s = Gd/ w , and spray Weber number, We s = G 2 d/ 𝜌 σ , were shown to correlate data from many authors covering a wide range of spray parameters. This correlation supports the results of previous parametric experiments, and is analogous to correlations developed for the critical heat flux of sprays and circular jets. Dependence of the heat transfer performance on spray mass flux and droplet diameter represents the influence of the overall heat transfer capacity of the spray as well as the contribution of droplet interactions. The Leidenfrost temperature of the spray was also shown to be dependent on the spray Weber number.     

基于格子Boltzmann方法的液滴沿固壁铺展动态过程模拟

矿井喷雾降尘是利用水雾使粉尘润湿沉降的过程,考虑到固体与液体间分子作用力,本文采用格子Boltzmann方法对液滴沿固壁铺展的动力学行为进行了数值模拟,结果发现铺展直径及动态接触角随时间呈指数规律,确定了液滴表面张力与铺展最大直径间的关系,固壁润湿性对铺展最大速度值影响较大,这些与物理试验及文献结果符合良好. 进一步考察了疏水性强的固壁,发现当液滴表面张力足够小时,铺展接触角可以在90°以下,与理论公式符合. 研究发现铺展过程中伴随着振荡,且铺展到最大时液膜有回缩趋势. 关键词： 液滴 格子Boltzmann方法 铺展 数值模拟     

Numerical simulation on partial coalescence of a droplet with different impact velocities

Partial coalescence is a complicated flow phenomenon. In the present study, the coalescence process is simulated with the volume of fluid(VOF) method. The numerical results reveal that a downward high-velocity region plays a significant role in partial coalescence. The high-velocity region pulls the droplet downward continuously which is an important factor for the droplet turning into a prolate shape and the final pinch-off. The shift from partial coalescence to full coalescence is explained based on the droplet shape before the pinch-off. With the droplet impact velocity increasing, the droplet shape will get close to a sphere before the pinch-off. When the shape gets close enough to a sphere, the partial coalescence shifts to full coalescence. The effect of film thickness on the coalescence process is also investigated. With large film thickness,partial coalescence happens, while with small film thickness, full coalescence happens. In addition, the results indicate that the critical droplet impact velocity increases with the increase of surface tension coefficient but decreases with the increase of viscosity and initial droplet diameter. And there is a maximum critical Weber number with the increase of surface tension coefficient and initial droplet diameter.