微重力条件下与容器连通的毛细管中的毛细流动研究

利用落塔的短时微重力条件, 实验研究了与容器连通的毛细管中的流体在微重力条件下的毛细流动过程, 并通过理论分析建立了相应的毛细管中弯月液面高度随时间变化的微分方程. 结果表明, 对于不同的接触角和不同的容器/毛细管参数, 由建立的理论公式得到的数值解结果都与实验结果在定量上较为一致. 此外, 实验中发现, 改变乙醇和去离子水混合液的比例可以明显地改变接触角参数, 但对毛细流动的影响很小, 建立的理论公式也对这一现象给出了合理的解释. 该研究对于预测和分析微流道及空间微重力条件下的毛细流动行为具有明显的应用价值.     

气泡在自由液面破碎后的射流断裂现象研究

在势流假设下, 考虑表面张力以及黏性修正, 建立自由液面在气泡破碎后全非线性运动的数值模型, 给出射流断裂和水滴撕裂的数值处理方法. 同时进行上浮气泡在自由液面破裂的实验研究, 数值解与实验值符合良好.为了研究自由液面在气泡破碎后的运动学机理和规律, 运用开发的程序研究了不同尺寸气泡破碎后的动态特性, 包括从气泡底部顶起的射流、射流断裂以及水滴分裂等复杂的物理现象, 总结了从射流上撕裂出的第一个水滴尺寸、撕裂时间以及最大射流速度的变化规律. 最后讨论了雷诺数与韦伯数对气泡破碎后自由液面运动的影响. 关键词： 气泡 自由液面 破碎 断裂     

容器内角处流体界面特性与Surface Evolver程序适用性的研究

微重力条件下内角处液体行为的研究对于认识表面张力主导的液体行为, 预测和控制空间微重力条件下的液体位置、瞬时状态, 以及对空间流体进行有效的管理等方面都非常重要. 通过分析接触角与流体界面在容器内角处的接触线方向之间的关系, 并与Concus-Finn理论进行比较, 提出了内角处接触线、接触角和几何形状之间相互关联的机理, 并探讨了Concus和Finn等 的相关理论结果的物理内涵. 在此基础上, 进一步将内角处的相关理论结果与Surface Evolver程序得出的数值结果进行了比较, 指出当容器中的内角小于180°时, Surface Evolver程序通过自动划分网格即可比较准确地预言内角处的接触线和液面行为, 但是当内角大于180°时, 自动划分网格得到的数值结果有较大的误差, 需要通过手动划分网格减少网格奇异才能减小误差. 因此, 对于具有复杂几何形状的容器, 需注意网格的奇异性, 并对内角处的液面进行定量的验证, 才能有效判断Surface Evolver程序结果的正确性. 本工作对于深入认识内角处的液面特性和机理, 理解Surface Evolver程序的适用条件, 以及分析微重力条件下容器内角处的液体行为等方面都具有明显意义.     

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     

驱油体系的驱油效率及其在模拟岩芯表面的润湿性研究

为了研究驱油体系在模拟岩芯表面的润湿性 ,为微重力应用研究提供依据 ,选择胜利纯梁采油厂C6 4 1井原油 ,应用正交实验设计 ,通过最低瞬时界面张力测定 ,筛选出阴离子表面活性剂SDC V、非离子表面活性剂FBB、HPAM和复碱的驱油体系配方 .开展室内模拟驱油实验 ,同时测定驱油体系溶液对模拟岩芯的接触角 ,并且关联驱油效率和接触角之间的关系 ,发现驱油效率越高 ,接触角值越小     

Free vibration of a spherical liquid drop attached to a conical base in zero gravity

Free vibration analysis of a spherical liquid drop attached to a conical base is presented. Assuming the liquid is incompressible and inviscid, and introducing a velocity potential, axisymmetric and asymmetric vibration characteristics are clarified, considering two liquid contact conditions: slipping edge and anchored edge. In the numerical calculations, for a wide range of conical base apex angles, the natural frequency and vibration mode of a liquid drop are presented. From these parameters, the vibration characteristics of a liquid drop attached to a conical base with general apex angle can be easily predicted. When the apex angle tends to 180°, natural frequencies are found to converge to those of a spherical drop under both slipping and anchored edge conditions, except in the axisymmetric mode with meridian mode number m=0 in the anchored edge case and asymmetric mode m=1 and n=1 in the slipping edge case.     

Numerical analysis of decaying nonlinear oscillations of a viscous liquid drop

An adaptive grid numerical model is developed for simulating the dynamics of a viscous liquid drop whose initial shape is strongly disturbed by an external field. Simulated oscillations of a drop in microgravity and on a horizontal surface are compared with available numerical and experimental results.     

A freely falling magneto-optical trap drop tower experiment

We experimentally demonstrate the possibility of preparing ultracold atoms in the environment of weightlessness at the earth-bound short-term microgravity laboratory Drop Tower Bremen, a facility of ZARM – University of Bremen. Our approach is based on a freely falling magneto-optical trap (MOT) drop tower experiment performed within the ATKAT collaboration (“Atom-Catapult”) as a preliminary part of the QUANTUS pilot project (“Quantum Systems in Weightlessness”) pursuing a Bose–Einstein condensate (BEC) in microgravity at the drop tower [1, 2]. Furthermore we give a complete account of the specific drop tower requirements to realize a compact and robust setup for trapping and cooling neutral rubidium ⁸⁷Rb atoms in microgravity conditions. We also present the results of the first realized freely falling MOT and further accomplished experiments during several drops. The goal of the preliminary ATKAT pilot project is to initiate a basis for extended atom-optical experiments which aim at realizing, observing and investigating ultracold quantum matter in microgravity. PACS 67.85.-d     

High-speed rainbow schlieren visualization of an oscillating helium jet undergoing gravitational change

Rainbow schlieren deflectometry combined with high-speed digital imaging was used to study buoyancy effects on flow structure of a helium jet discharged vertically into air. The experimental data were taken using the 2.2-sec drop tower facility at the NASA John H. Glenn Research Center in Cleveland, Ohio. The test conditions pertained to jet Reynolds number of 490 and jet Richardson number of 0.11, for which buoyancy is often considered unimportant. Experimental results show global oscillations at a frequency of 27 Hz in Earth gravity. In microgravity, the jet oscillations vanished and the jet width increased. Results provide a direct physical evidence of the importance of buoyancy on the flow structure of low-density gas jets at a Richardson number considered too small to account for gravity.     

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.     

Analysis of shape perturbations of a drop on a vibrating substrate for different wetting angles

An exact solution is obtained to the problem of axisymmetric normal modes and natural frequencies characterizing surface perturbations of a drop that sits with an arbitrary wetting angle on a substrate and experiences only gravity and surface tension. The resulting mode solutions are used to calculate and analyze different shapes of the perturbed surface for the same drop placed on a vibrating base. The distinctive feature of the present study is the explicit representation of the results in the form of calculated shapes of the surface of a vibrating drop, comparison of the parameters of actual drops with resonance frequencies, and comparison with experimental data.     

带自由面流体的多体耗散粒子动力学模拟

利用多体耗散粒子动力学(MDPD)方法对介观尺度下液滴动力学进行了模拟分析,探讨了MDPD系统中液气共存界面的形成,并对表面张力进行了模拟研究,研究结果表明,MDPD方法形成的液气共存界面满足Laplace定律,通过改变不同的粒子间保守力作用参数,获得了液滴在固体壁面上不同的接触角,并研究了保守力作用参数与接触角之间的变化规律,进一步模拟了液滴在复杂微通道内的流动,研究结果有助于解释带自由面流体在粗糙表面上的运动行为。     

Bond数变化对固壁液滴接触角的影响

本文利用微重力落塔实验研究了Bond数改变时,PTFE和铝板表面上正滴和倒滴接触角的动态变化。实验发现液滴接触角与Bond数的大小有关,当Bond数趋于0时,还与其放置状态有关。本文采用VOF方法对Bond数变化引起的液滴形状及内部流动变化进行二维数值模拟,结果显示液滴内部的流动控制着液滴的外形和接触角。     

同轴流动聚焦中射流不稳定性的理论研究

壳核结构的微胶囊在医学药学材料食品农业等领域具有广泛的应用前景, 其制备方法一直是相关领域关注的焦点.同轴流动聚焦(co-flow focusing)是一种新型制备技术, 利用复合射流的破碎制备微胶囊具有包裹率高过程量化可控参数域广产率高等诸多优势.在实验中, 复合射流的破碎受到多个过程参数的影响, 并涉及了多层界面的耦合效应.利用简化的物理模型, 在时间和时空域中分析了三相水-油-水复合射流不稳定性的发展和演化.在黏性流体线性稳定性理论中, 同轴射流和驱动液体的基本速度型分别基于管流和误差函数构造, 并通过数值方法求解满足相应边界条件下的线化小扰动控制方程.结果表明:增加内外层界面的界面张力均有利于射流的破碎; 流体的黏性对同轴射流的稳定性均有着促进作用; 越大的黏性越小的内界面张力对应着越大的射流破碎波长; 内外界面的耦合作用以及复合液滴的包裹情况均与内外射流的半径比息息相关; 绝对-对流不稳定性转换的临界Weber数随Reynolds数内层界面张力的增大而增大, 随内层和驱动流体的黏性增大而减小.这些结果将有助于提高液体驱动下同轴流动聚焦技术的过程控制, 为实际应用提供理论指导.      

醇水混合冷却剂表面张力和接触角的测定

喷雾冷却具有散热能力强、冷却工质需求量小等优点,在解决电子器件散热方面具有广阔的应用前景。纯水中添加醇类可以有效提升喷雾冷却性能。为进一步探索醇类添加剂强化喷雾冷却性能的机理,本文开展醇水混合溶液表面张力和接触角的实验测定研究。分别在水中加入不同浓度的乙醇、正丙醇、正丁醇、正戊醇、正己醇、正庚醇和正辛醇等醇类,利用悬滴法探究醇类浓度对溶液的表面张力的影响规律;利用Young-Laplace坐滴法探究醇类浓度对接触角的影响规律。结果表明,水中添加醇类后表面张力降低,且其随醇类溶质浓度的增加而变小,且其下降速率均随浓度的增加越来越慢;添加低醇类添加剂均可降低溶液的接触角,而高醇类接触角随浓度变化没有明显的变化规律。     

The surface tension and density of the Cu-Ag-In alloys

The surface tension and the densities of the Cu-Ag-In alloys have been measured by means of the sessile drop method. The density of these alloys depends linearly on temperature in the case of all the investigated compositions. The surface tension shows a linear dependence on temperature except for the lowest temperatures. For most of the alloys, the surface tension at the lowest temperature is lower than that predicted by the straight line. The experimental values of the surface tension of the Cu-Ag-In alloys are compared with those computed from the model, and quite good agreement is observed.     

Determination of surface tension coefficient and contact angle using numerical calculations of equilibrium drop shapes

The technique of determination of the contact angle and surface tension coefficient based on numerical calculation of the geometric characteristics of equilibrium shape of a liquid drop on the horizontal surface is stated. As initial data, the technique suggests using the dimensionless values of drop height and contact-spot radius that are obtained from drop images.     

剪切流动条件下液滴变形和断裂的数值模拟

本文采用扩散界面法研究了剪切流动条件下悬浮液滴变形和断裂的动力学机制。控制方程采用考虑表面张力影响的Navier-Stokes-Cahn-Hilliard方程描述。计算网格采用均匀矩形交错网格。采用基于压力增量的近似投影法计算 Navier-Stokes方程,采用完全近似多重网格法计算Cahn-Hilliard方程。稳态液滴变形规律及液滴拉伸断裂过程的计算结果与试验结果符合较好,表明本文模型能够很好的研究液滴变形及断裂机理。     

微重力燃烧实验落塔技术改进

上抛工作模式是一种有效的地基微重力实验技术．它能在基本上不增加落塔高度的情况下，成倍地增加微重力实验时间．本文将简要介绍在工程热物理所25米落塔设施上由实时过程控制技术和数控全速同步泛能换能技术组成的牵引式上抛技术的工作原理，基本组件，微重力状态下蜡烛火焰实验的初步结果，以及与NASA落塔和航天飞机实验结果的对比．     

液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性

基于润滑理论,采用滑移边界条件建立了二维液滴厚度的演化模型和移动接触线动力学模型,利用数值计算方法模拟了均匀加热基底上固着液滴蒸发时的动力学特性,分析了液-气、固-气和液-固界面张力温度敏感性对壁面润湿性和液滴动态特性的影响.结果表明,液滴的运动过程受毛细力、重力、热毛细力和蒸发的影响,重力对液滴铺展起促进作用,而毛细力、热毛细力则起抑制作用;通过改变界面张力温度敏感性系数,可使液滴蒸发过程中的接触线呈现处于钉扎或部分钉扎模式,且接触线钉扎模式下的液滴存续时间低于部分钉扎模式;提高液-气与液-固界面张力温度敏感系数均可改善壁面润湿性能,加快液滴铺展速率;而增大固-气界面张力温度敏感系数则导致壁面润湿性能恶化、延缓液滴铺展过程;通过改变固-气界面张力温度敏感系数更有利于调控处于蒸发状态下的液滴运动.