液滴振荡模型及与数值模拟的对比

由于碰撞壁面后液滴内部流动的复杂性, 以及气-液-固三相间的相互作用, 对液滴碰撞壁面形态变化的数学理论研究有较大的难度, 因此所见者多为实验和数值模拟. 本文通过对液滴受力状态的分析, 得到了惯性力、黏性力和表面张力带经验系数的表达式, 并进一步建立了液滴碰撞壁面振荡模型, 得到了液滴铺展半径的振荡表达式, 以及表面张力、黏性系数等参数对液滴铺展的影响. 最后通过与液滴衰减振荡数值模拟结果的对比, 确定了液滴振荡模型中的修正系数, 验证了模型的可行性. 关键词： 液滴碰撞 振荡 铺展半径/高度 数值模拟     

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     

液滴在粗糙固体表面上的铺展特性

本文建立了粗糙固体表面上液滴铺展过程的理论模型并采用了格子Boltzmann方法进行数值模拟,研究了粗糙与光滑表面上液滴铺展过程的形貌变化。研究结果表明,无论表面光滑还是粗糙,液滴都沿着半径方向逐渐铺展,整体首先呈帽形,随着时间的推移,液滴在表面铺展成一平面。粗糙表面与光滑表面铺展特性间的差异主要在于粗糙表面液滴受到粗糙元干扰,其铺展形状随时间推移由圆形向八边形过渡.粗糙元间隙的增大导致液滴润湿半径增大,液滴厚度沿半径方向变化梯度降低。     

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     

平衡接触角对受热液滴在水平壁面上铺展特性的影响

壁面温度是影响壁面润湿性的重要外部条件. 为解决液滴铺展中三相接触线处应力集中问题, 已有研究多采用预置液膜假设, 但无法探究壁面温度对润湿性的影响. 本文针对受热液滴在固体壁面上的铺展过程, 基于润滑理论建立了演化模型, 通过数值模拟, 从平衡接触角角度分析了温度影响壁面润湿性及铺展过程的内部机理. 研究表明: 随温度梯度增大, 液滴所受Marangoni效应增强, 致使液滴向低温区的铺展速率加快; 铺展过程中, 位于高温区的接触线与液滴主体部分间形成一层薄液膜, 重力与热毛细力先后主导该区域的铺展; 当液-固或气-液界面张力对温度的敏感度高于另两个界面时, 低温区方向的平衡接触角不断增大, 使壁面润湿性恶化, 导致液滴铺展减慢; 而当气-固界面张力对温度的敏感度高于其他两个界面时, 低温区方向上的平衡接触角将减小, 由此改善壁面润湿性, 加快液滴铺展; 在温度影响壁面润湿性和液滴铺展过程中, 平衡接触角起关键作用.     

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.     

含活性剂液滴在倾斜粗糙壁面上的铺展稳定性

针对含非溶性活性剂液滴在倾斜粗糙壁面上的铺展过程, 应用润滑理论推导出基态和扰动态下液膜厚度和活性剂浓度的演化方程组, 基于非模态理论研究了液滴铺展的稳定性特征, 探讨了相关参数的影响及其内在机理. 研究表明: 液膜厚度和活性剂浓度扰动量均呈现双驼峰型变化, 且峰值位于液滴底部凹陷处; 随扰动波数k增加, 最易失稳区域由液滴底部右侧凹陷处移至左侧凹陷, 壁面结构的影响逐渐减弱, 液滴铺展历程趋于稳定; 增加壁面倾角θ 将导致液滴铺展不稳定性加剧, 增大壁面高度D和壁面波数k₀均导致液滴铺展稳定性先增强后减弱; 随毛细数C减小, 液滴铺展稳定性下降, 重力的影响逐渐突显, 扰动量最大值呈现先增大后减小的变化趋势.     

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。     

楔形体上复合液滴润湿铺展行为的格子Boltzmann方法研究

固壁上液滴的润湿铺展行为是自然界中普遍存在的现象,针对楔形体上的复合液滴,采用基于相场理论的格子Boltzmann方法对其润湿铺展行为进行探究.通过理论分析和数值模拟,发现液滴润湿面积随接触角、楔形体顶角的减小而增大,液滴也越容易分裂.处于理论分裂临界状态附近的液滴,在一定密度比、黏度比条件下将沿楔形体壁面分裂.基于模拟结果生成以密度比、黏度比为坐标的液滴分裂状态相图,比较发现相同条件下初始状态为平衡态的复合液滴更不易发生分裂.另外模拟还表明非对称界面张力及非对称运动黏度比也是影响液滴分裂结果的重要因素.     

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     

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.     

Crown evolution kinematics of a camellia oil droplet impacting on a liquid layer

The phenomenon of droplet impact on an immiscible liquid is encountered in a variety of scenarios in nature and industrial production. Despite exhaustive research, it is not fully clear how the immiscibility of the liquid on which a droplet impacts affects the crown evolution. The present work experimentally investigates the evolution kinematics of a crown formed by the normal impact of a camellia oil droplet on an immiscible water layer. Based on discussion of dynamic impact behaviors for three critical Weber numbers (We), the radius of the crown and its average spreading velocity are compared with those of previous theoretical models to discuss their applicability to the immiscible liquid. The evolution kinematics (morphology and velocity) are analyzed by considering the effects of the We and layer thickness. Furthermore, the ability of crown expansion in radial and vertical directions is characterized by a velocity ratio. The results show that our experimental crown radius still follows a square-root function of evolution time, which agrees with the theoretical predictions. The dimensionless average spreading velocity decreases with We and follows a multivariate power law, while the dimensionless average rising velocity remains constant. The velocity ratio is shown to linearly increase with We, demonstrating that the rising movement in crown evolution gradually enhances with We. These results are helpful for further investigation on the droplet impact on an immiscible liquid layer.     

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     

Short-time dynamics of partial wetting

When a liquid drop contacts a wettable surface, the liquid spreads over the solid to minimize the total surface energy. The first moments of spreading tend to be rapid. For example, a millimeter-sized water droplet will wet an area having the same diameter as the drop within a millisecond. For perfectly wetting systems, this spreading is inertially dominated. Here we identify that even in the presence of a contact line, the initial wetting is dominated by inertia rather than viscosity. We find that the spreading radius follows a power-law scaling in time where the exponent depends on the equilibrium contact angle. We propose a model, consistent with the experimental results, in which the surface spreading is regulated by the generation of capillary waves.     

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。     

Pb液滴在Ni基底润湿铺展行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了Pb液滴在Ni(100)晶面、(110)晶面和(111)晶面的铺展润湿行为. 结果表明: Pb液滴在Ni(100)及(111)基底上的润湿铺展现象呈各向同性, 而在Ni(110)基底上的润湿铺展现象呈明显的各向异性, 且这种各向异性源于Ni(110)晶面点阵结构上Pb原子沿不同晶向的扩散机制及速度的明显差异; Pb液滴在Ni(111)晶面上铺展时, 未发生表面合金化, 液滴铺展动力学描述近似满足 R² ∝ t, 而液滴在(100)晶面和(110)晶面上铺展时表面产生合金化现象, 铺展动力学关系近似满足 R⁴ ∝ t, 且液滴在(100)晶面上的铺展速度高于(110)晶面上的铺展速度. 关键词： 分子动力学 润湿各向异性 铺展膜 扩散机制     

On derivation of the analytical expression for damping ratios in a low-viscosity approximation

The damping ratios of waves and oscillations in nonlinear dispersion equations are found for planar, cylindrical, and spherical geometries as applied to finite-volume liquids. For a cylindrical jet and a plane interface between viscous liquids, the damping ratios are determined for the first time. When the radius of curvature of the liquid jet surface decreases, so does the damping ratio of capillary waves. In a system of immiscible liquids, the damping ratio may be both larger and smaller than that for the pure liquid depending on the viscosity of the liquids and the ratio of their densities. This is because the damping ratio depends on the kinematic viscosities of pure liquids. The damping ratio is also estimated for waves arising at the liquidgas interface due to a tangential discontinuity of the velocity field.