倾斜均质表面上等径水滴聚合过程的可视化实验

对倾斜均匀表面上等直径水滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了水滴直径和表面倾角等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径、接触角和接触线变化特性的影响,分析了水滴聚合对其运动的影响.实验结果表明:表面倾角越大,下滑的临界半径越小;液滴的直径越大,液滴聚合后越容易下滑;液滴聚合可以加快液滴的运动,使下滑临界半径减小.     

倾斜均质表面上非等径液滴的聚合特性

对倾斜均匀表面上非等径液滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了液滴半径和表面倾角等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径、接触角和接触线变化特性的影响规律,进一步说明了倾斜表面上液滴聚合可以加快液滴的运动.     

附壁氩液滴蒸发过程的分子动力学模拟

为了了解附壁液滴的蒸发特性,利用分子动力学方法对铜基底上氩液滴的蒸发过程进行了模拟。结果表明,随着蒸发过程的进行,液滴中的氩原子逐步扩散到周围真空环境中,并最终达到蒸发稳定状态。稳态蒸发时液滴近似为球冠状,在固-液界面存在一个密度较大的吸附层,在汽-液界面存在一个密度骤降的区域,60%的蒸发发生在三相接触线区域.温度越高,系统达到稳态所需时间越短,蒸发越快,固-液界面吸附层密度越小,接触角越小;同时,固-液之间的能量参数越大,接触角越小。     

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。     

基于改进格子Boltzmann焓法模型的液滴凝固数值研究

为了研究不同冷壁面特性上液滴的结晶过程以及凝固速率的规律,利用通过加入对流换热和辐射换热项,使用固相体积分数修正流场的改进的焓-LB方法,使得模型模拟的结果更加精确.分析了液滴在6种不同的壁面特性下,凝固过程平均固相体积分数随时间的变化.分析了凝固后接触角及接触面积与半径的比值随亲疏水性不同的变化.结果表明:壁面的亲水性越好,液滴凝固成核后与壁面的接触角越小,接触面积与半径之间的比值越大;反之,壁面的疏水性越好,液滴凝固成核后与壁面的接触角越大,接触面积与半径之间的比值越小.在超疏水表面存在粗糙元间距较大时,凝固速率最慢,且与粗糙元的接触面积较小,有利于抑霜除霜.     

液滴合并动力学行为研究

本文采用格子Boltzmann方法和高速显微摄像装置对液液系统中的液滴合并过程进行了数值模拟和可视化实验观测,研究了液滴形貌变化及其液滴合并动力学行为,并重点分析了液滴合并过程中液桥半径随时间的变化。研究结果表明:当两液滴接触开始合并,液桥半径迅速增加至一极值,随后出现振荡波动直至稳定。在液滴合并初始阶段,存在由黏性主导向惯性主导转变的过渡区域。当液滴合并转为惯性主导阶段时,桥半径与时间的开方之间线性相关,实验与模拟得到的桥半径曲线前因数分别为0.92与1.023,两者基本一致,验证了本文所建立液滴合并数学模型正确可靠。     

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。     

疏水表面结霜融霜过程中液滴行为研究

研究了自然对流条件下具有微纳结构铝基疏水表面上结霜、融霜过程中液滴的动态行为,分析了表面方位及接触角对冻结前冷凝和融霜后排液的影响。结果表明:水平疏水表面上冷凝液滴的直径和基底直径随时间而增加,液滴的接触角随时间的变化有一定波动,但呈减小趋势;放置一液滴在疏水表面上冷凝时,周围形成的小液滴以该液滴为中心,离它越远,小液滴尺寸越大;融霜后疏水表面上呈现规则的球缺状液滴,而裸铝表面上是不规则的液滴。     

固着液滴蒸发薄液膜区传质传热特性数值研究

本文基于扩展Young-Laplace方程和动力学理论,以水为工质,建立固着液滴蒸发薄液膜区、宏观弯月面区、固体基底内部及气液、液固、气固界面的耦合传热模型,并探究固体基底厚度和热物性对蒸发薄液膜区传热特性的影响。结果表明,由于液滴蒸发过程中的冷却效应,三相接触线附近的基底温度低于周围固体温度;蒸发速度越快,温度差越大。蒸发薄液膜的长度、最大质量流量和传热量与基底厚度与液滴半径比值h_r有关;当h_r=0.4时,薄液膜区传热对总体传热贡献最大;基底的热导率越小,蒸发液滴具有更长的蒸发薄液膜长度及更强的界面传热,薄液膜区传热对总体传热影响越显著.     

限位液滴瞬时失重自激振荡

为探索重力瞬变引起的约束液滴自激振荡机理, 本文利用落塔装置模拟短时微重力环境并借助高速CCD记录圆形限位基片上液滴整个过程的运动情况. 自激振荡是微重力下液滴形态的重整恢复过程, 边界的限位作用使得液滴在整个运动过程接触线钉扎不变, 具体可分为两个阶段: 首先是振荡的高低点位置高度渐进上升的液滴形态变化阶段, 与重力环境渐进变化有关; 而后是平衡位置附近的阻尼衰减振荡阶段, 此时振荡的频率恒定, 振幅衰减类似孤立黏性液滴的指数衰减过程. 对于第二阶段, 在高低点等位置处存在高度不变过程, 高度起伏变化时液滴振荡模式类似自由液滴二阶振荡, 高度不变时振荡模式类似自由液滴三阶振荡. 此外, 对于本实验体系的恒定接触面积的钉扎约束, 液滴的体积量不同时, 内驱振荡的阶段和模式不变, 但具体的振荡过程有所不同. 对于大体积液滴, 会在初始振荡的中间位置出现高度不变现象, 并且随振荡逐渐消失; 而小液滴中间位置则不存在此现象, 波形较一致; 第二阶段小体积液滴振幅衰减的阻尼率更大, 无量纲频率也更高.     

Vibrated sessile drops: Transition between pinned and mobile contact line oscillations

We study the effects of vertical vibrations on non-wetting large water sessile drops flattened by gravity. The solid substrate is characterized by a finite contact angle hysteresis (10-15 degrees). By varying the frequency and the amplitude of the vertical displacement, we observe two types of oscillations. At low amplitude, the contact line remains pinned and the drop presents eigen modes at different resonance frequencies. At higher amplitude, the contact line moves: it remains circular but its radius oscillates at the excitation frequency. The transition between these two regimes arises when the variations of contact angle exceed the contact angle hysteresis. We interpret different features of these oscillations, such as the decrease of the resonance frequencies at larger vibration amplitudes. The hysteresis acts as solid friction on the contour oscillations, and gives rise to a stick-slip regime at intermediate amplitude.Received: 4 April 2004, Published online: 10 August 2004PACS: 47.55.Dz Drops and bubbles - 68.08.Bc Wetting - 47.35. + i Hydrodynamic waves     

声悬浮液滴的表面毛细波及八阶扇谐振荡

采用声悬浮方法研究了自由液滴表面的毛细波形成机理,并利用主动调制声场技术激发了液滴的八阶扇谐振荡.实验结果表明,当声场调制频率接近液滴本征频率的两倍时,液滴将由轴对称受迫振荡向非轴对称扇谐振荡模态转变.实验与理论分析证实,参数共振是毛细波与扇谐振荡的形成原因.扇谐振荡的本征频率随液滴赤道半径的增大而减小,可通过修正的Rayleigh方程来描述. 关键词： 声悬浮 液滴 毛细波 扇谐振荡     

On the coalescence of sessile drops with miscible liquids

Sessile drops sitting on highly wettable solid substrates fuse in qualitatively different ways after contact, depending on the surface tension gradients between the mixing droplets. In early time evolution the drop coalescence can be fast or delayed (intermittent). In long time evolution a secondary drop formation can occur. We study numerically droplet dynamics during coalescence in two and three spatial dimensions, within a phase field approach. We discuss criteria to distinguish different coalescence regimes. A comparison with recent experiments will be done.     

滴状冷凝中液滴的内外压差及临界半径

用热力学方法证明了壁面上球冠形液滴的内外压差同样遵循经典的Laplace方程,并用力学方法给予了验证.液滴的内外压差与固液接触角无关,只取决于液体的表面张力和液滴半径;液滴的临界半径也与接触角无关,其值可用经典的Kalvin公式计算 关键词： 滴状冷凝 液滴 压差 临界半径     

Ultrafast x-ray phase-contrast imaging of the initial coalescence phase of two water droplets

We report an ultrafast x-ray phase-contrast imaging study of the early merging dynamics of two water drops in air. Owing to the edge-enhancement capability, the high penetrability, and the unprecedented temporal and spatial resolutions offered by this new x-ray technique, the coalescence singularity of two water drops was revisited. A finite initial contact radius was identified and the evolvement of the trapped toroidal air bubble was studied for the first time. Despite the existence of this finite initial contact radius, the subsequent meniscus radius followed power laws which agree with theoretical predictions for the inviscid regime.     

冷凝器壁面滴状冷凝的热力学机理及最佳接触角

应用自由能判据证明了冷凝器壁面液滴的力学平衡条件与接触角有关,进而证明了当壁面液滴与壁面的接触大于90°时,冷凝器壁面液滴的化学势将小于同曲率的球形液滴的化学势;另外,在相同饱和比下,壁面液滴的临界半径也小于球形液滴的临界半径.而在接触角小于90°时,情况则恰好相反.正是由于这双重原因,使得滴状冷凝的传热性能大大优于膜状冷凝的传热性能,并由此求出了冷凝器壁面液滴的最佳接触角. 关键词：     

声悬浮条件下黏性液滴的扇谐振荡规律研究

采用单轴式声悬浮方法研究了黏度μ =0.94-75.65 mPa·s的甘油-水溶液液滴的扇谐振荡规律. 发现一定阶数的振荡模式存在一定的临界黏度μ_c, 只有当μ < μ_c时, 该阶扇谐振荡才能被激发. 实验测定了声场调制幅度η = 0.23 时, l =2-9 阶扇谐振荡的临界黏度, 发现ln μ_c与l近似呈线性递减关系. 采用参数共振理论分析了黏性液滴的扇谐振荡过程, 发现激发扇谐振荡的液滴赤道半径扰动阈值h_c正比于液滴黏度μ, 并随l增大而增大, 因此扇谐振荡难以在高黏度和高阶模式下发生. 实验还发现, 各阶扇谐振荡的振幅和共振频率宽度随液滴黏度增大而减小, 黏度对液滴本征频率无明显影响.