液滴撞击不同湿润性固壁面上静止液滴的格子Boltzmann研究

采用单组分多相的伪势格子Boltzmann方法,在大小液滴粒径比为1.5的情况下,对大液滴竖直撞击壁面上静止小液滴的过程进行模拟,研究亲水与超疏水壁面上大液滴竖直碰撞小液滴的过程,得到液滴铺展因子和相对高度随时间的变化。结果表明：增大We数会使液滴的铺展因子增大,铺展直径变大,相对高度减小;并且随着We数的增加,在超疏水表面,液滴在铺展过程中底部会出现空腔,空腔大小随着We数增大而增加;此外,We数增加到107.35时,液滴发生了断裂。     

液滴在非互溶大黏度比液体表面的铺展特性

利用基于润滑理论的液滴在非互溶液体表面铺展的物理模型,探讨大黏度比情形下黏度比对液滴演化过程和平衡形状的影响,分析液滴厚度、铺展半径等特征参数的变化。结果表明：接触线附近液—液界面的变形受黏度比和表面张力比的影响;提高黏度比将导致铺展速率降低、时间常数减小,进而延长演化历程,但不影响液滴最终稳定形状;铺展半径与时间的关系满足x_max= 1 - 0.2 exp(- βt);大黏度比液滴铺展后期并未出现小黏度比时的惯性振荡现象。     

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.     

Numerical simulation of two droplets impacting upon a dynamic liquid film

The impact of droplets on the liquid film is widely involved in industrial and agricultural fields. In recent years, plenty of works are limited to dry walls or stationary liquid films, and the research of multi-droplet impact dynamic films is not sufficient. Based on this, this paper employs a coupled level set and volume of fluid (CLSVOF) method to numerically simulate two-droplet impingement on a dynamic liquid film. In our work, the dynamic film thickness, horizontal central distance between the droplets, droplets' initial impact speed, and simultaneously the flow velocity of the moving film are analyzed. The evolution phenomenon and mechanism caused by the collision are analyzed in detail. We find that within a certain period of time, the droplet spacing does not affect the peripheral crown height; when the droplet spacing decreases or the initial impact velocity increases, the height of the peripheral crown increases at the beginning, and then, because the crown splashed under Rayleigh-Plateau instability, this results in the reduction of the crown height. At the same time, it is found that when the initial impact velocity increases, the angle between the upstream peripheral jet and the dynamic film becomes larger. The more obvious the horizontal movement characteristics, the more restrained the crown height; the spread length increases with the increase of the dynamic film speed, droplet spacing and the initial impact velocity. When the liquid film is thicker, more fluid enters the crown, due to the crown being unstable, the surface tension is not enough to overcome the weight of the rim at the end of the crown, resulting in droplets falling off.     

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     

微小水滴撞击深水液池空腔运动的数值模拟及机理研究

为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理,采用自适应网格技术和流体体积方法对撞击速度为2.5–6.5 m/s的微小水滴撞击深水液池的运动进行数值模拟研究,考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波传播、空腔变形规律以及气泡截留过程,并深入探究空腔运动的动力学机制.研究结果表明,不同撞击速度下,在忽略毛细波作用、空腔深度h∈（D,h_max）的前提下,空腔深度随时间的成长仍满足t∝h^5/2的关系;液滴撞击产生的空腔形状有U形和半球形两种,前者一般向V形转变,后者空腔底部会变为圆柱形,产生细长射流,并有可能发生气泡截留现象;在撞击速度较低时,低压区首先在空腔侧壁与底部交界处产生,随后在靠近液面以及空腔底部靠近中心区域各产生一个较大的涡环;在撞击速度较高,产生细长射流时,涡环的生成被抑制,低压区首先在波浪底部与侧壁上交界处产生,随后空腔底部变为圆柱状,空腔侧壁首先坍塌形成气泡截留.     

Determining the profile of a spreading droplet with allowance for the slipping effect

A mathematical model describing the isothermal spreading of a liquid droplet on a horizontal substrate with allowance for the effect of slipping is studied by quasi-stationary means. Patterns in the variation of the droplet profile and the wetting radius are determined within the considered model. Calculations for a dimensionless case are performed on the basis of the obtained results.     

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.     

倾斜粗糙壁面上含不溶性活性剂溶液的动力学特性

针对倾斜随机粗糙壁面上含不溶性活性剂溶液的流动过程, 采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度的时空演化模型, 通过PDECOL程序数值求解得到了液膜流/液滴铺展的动力学特性及壁面结构参数的影响. 研究表明: 在重力分量和Marangoni效应共同作用下, 液膜流/液滴铺展速度加快, 液膜边缘和液滴中心出现毛细隆起, 液膜/液滴底部出现凹陷, 同时受粗糙壁面影响, 液膜表面变形更显著. 增加壁面倾角θ具有使重力分量和Marangoni效应增强, 导致隆起和凹陷程度均有所增加的作用. 增大壁面高度D可使液膜流/液滴铺展速度加快, 表面变形放大. 而壁面波数k₀则使液膜流/液滴铺展过程减缓, 抑制隆起和凹陷产生. 与液膜流相比, D和k₀对液滴铺展速度的影响相对较小. 关键词： 随机粗糙壁面 液膜 Marangoni效应 倾斜流动     

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.     

固体表面液滴铺展与润湿接触线的移动分析

液滴在固体表面上的铺展行为与润湿特性对许多工业生产过程的研究具有重要意义.根据液滴在光滑表面上的受力情况,建立了液滴平壁铺展的动力学模型.应用润滑近似方法和二维Navier-Stokes方程,建立了液滴沿理想表面铺展的动量和连续性方程.根据建立的方程,应用数值解法求解并详细分析了液滴在铺展过程中膜厚、接触线铺展半径以及铺展速度随时间的变化关系.研究结果表明:液滴的铺展过程可分为扩展和收缩两个阶段,铺展过程伴随着表面能、动能以及各种势能的相互转化,液滴最终的铺展半径大小由固体基面固有的润湿特性所决定;液滴在铺展过程中出现的"坍塌效应"与弯曲液面处的Laplace压力差有关;铺展半径随时间变化的标定律近似满足"1/7"次方标度律.     

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.     

Dielectrowetting actuation of droplet: Theory and experimental validation

A theoretical model based on energy conversation is constructed to characterize the contracting behavior of the nonconductive droplet actuated by the dielectric effect in an immiscible dielectric liquid. To verify the theory, COMSOL is employed to simulate the evolution of the droplet based on dielectrowetting, and a measurement platform is established to monitor the change process of the droplet profile. The contact angle and the height of the droplet increase linearly up to 48° and 2.03 mm respectively when U ranges from 55 V to 160 V, while the droplet remained stationary when U 55 V.The relative experimental results coincide with the prediction of theory and the simulation analysis.     

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.     

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.     

可溶性活性剂驱动的液滴铺展稳定性

对含可溶性活性剂的液滴在预置液膜上的非均匀铺展过程,基于润滑理论建立基态和扰动态下的液滴厚度、表面活性剂浓度和内部浓度的演化模型,应用非模态理论分析演化过程的稳定性,探讨活性剂溶解特性及典型参数对液滴演化特征的影响.研究表明:扰动波的引入有利于增强液滴演化的稳定性,且稳定程度与扰动波的波数呈正相关性;然而随扰动波数的持续增大,液滴演化的稳定性逐渐下降,直至失稳;相对于非溶性活性剂,可溶性活性剂减缓了液滴的铺展程度,增强了演化过程的稳定性;预置液膜厚度、Marangoni数、毛细力数及吸附系数的增大,均有利于液滴稳定演化,其中Marangoni效应和毛细力的影响较大,预置液膜厚度则主要增强液滴厚度演化的稳定性.     

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.     

基于MRT-LB伪势模型的液滴撞击液膜数值研究

运用改进的格子玻尔兹曼（LB）伪势多松弛多相模型，研究单/双液滴撞击液膜的流动特性.考察单液滴在不同气液相密度比时撞击液膜的发展.随着密度比的减小，冠状水花顶端开始向内弯曲，且底部半径显著减小.在大密度比情况下研究双液滴撞击液膜.结果表明：双液滴撞击液膜有中心射流的形成；液滴水平间距的增大，延缓中心射流的出现，并降低初始中心射流的高度；随Re数的增加，中心射流的高度明显增大.     

分离压作用下波纹状基底上含活性剂液滴铺展稳定性

针对波纹状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,引入受活性剂浓度影响的分离压模型,应用非模态稳定性理论分析液滴铺展稳定性.研究表明:与不计及分离压情形相比,分离压作用下的液滴铺展前沿高度明显下降,液滴铺展速率加快;长波扰动有利于增强液滴的演化稳定性,且随扰动波数增大稳定性增强;然而随短波波数增加,液滴演化稳定性逐渐减弱甚至转变为不稳定;较小波数下(k=3)减小引力强度系数α₁和提高斥力强度系数α₂液滴铺展稳定性增强;而较大波数下(k=30)增大α₁和减小α₂有利于液滴铺展稳定性.     

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.