悬垂液滴研究及表面张力和润湿角测定

对光滑固体表面下悬挂的液滴进行了理论分析,建立了悬垂液滴特征尺寸R和H与液滴表面张力σL和固液界面润湿角θ之间的关系式,计算发现对于特定的ρ,σL,θ值,液滴质量m与固液界面润湿半径R、液滴高度H满足特殊的曲线关系.利用此关系可以同时测量液滴的表面张力σL以及固液界面间的润湿角θ.     

谈谈液滴间不溶合现象

 一、什么是不溶合现象或许你有喝咖啡的习惯,会偶而目睹一些有趣的事情．当咖啡滴入壶中的时候,咖啡液滴落到液面,在与大量咖啡液溶合之前,它可保持１秒钟左右不变．这种同种液体的两部分之间短暂的不溶合现象既不是分离现象也不是一种只能在漏滴型咖啡壶中才可观察到的现象．早在１８７９年瑞利就描述过类似的现象,１９７８年Ｊ．Ｗａｌｋｅｒ称这种不溶合现象为科学的奇观．根据人们的日常经验,当同种液体的两部分接触时,会立即港合成单一的液体．如果两液滴起初被另一种与之不互溶的液体而非空气隔开,那么保持两个液滴状态的时间将延长,但是最终的结果仍是两个液滴溶合在一些．     

液滴冲击无限大液面过程的边界元模拟

液滴冲击液面现象在自然界和工农业生产中极其普遍,如雨滴冲击水体表面、喷淋冷却及高温液滴破碎等。本文采用理想小可压缩势流模型,利用边界元方法对液滴冲击同种液体的无限大液面现象做了数值模拟研究,同时考虑到了重力和表面张力的影响。本义所采用的边界元方程在计算过程中可以忽略其弱奇异性。     

微纳米结构超疏水表面低浓度乙醇液滴的合并弹跳

本文以去离子水、质量分数为8%和16%的低浓度乙醇溶液为工质,研究了液体表面张力对液滴在平超疏水和层级微槽超疏水表面合并弹跳的影响,揭示液体表面张力变化引起液滴合并过程中与表面结构相互作用的改变,为实现低表面张力工质的动力学行为调控研究提供前期探索。研究发现,在平超疏水表面,质量分数为8%和16%的乙醇液滴合并弹跳过程由惯性效应主导,合并弹跳速度遵循惯性毛细定律,无量纲速度为0.23～0.27,能量转化效率为5.6%～6%。液体表面张力的减小导致平超疏水表面液滴合并弹跳速度的减小,并未影响液滴合并过程中内部动量的传递机制。在层级微槽超疏水表面,槽道边缘增强的黏附作用改变了乙醇液滴合并过程的形态演变,影响了其内部动量的传递,导致液滴合并弹跳速度和能量转化效率降低。随着液体表面张力的减小,液滴间凸台结构对合并弹跳性能的强化作用减弱,而凹槽结构对合并弹跳性能的恶化作用增强。     

基于不可压LBM的汽液两相流数值研究

本文利用格子Boltzmann方法(LBM)研究汽液分离过程与相界面的表面张力,在不可压单相LBM模型与Kupershtokh伪势模型基础上,通过引入Carnahan-Starling状态方程构建了一种单组份汽液两相LBM模型并开发了相应程序。本文采用周期性边界条件,模拟了汽液两相在不同初始密度下的分离过程,得到了两相完全分离的结果。此外,本文模拟了单个液滴从非平衡态到平衡态的演化过程,通过Laplace定律计算平衡态液滴表面张力与液滴半径、温度的关系,结果表明,LBM能较好地计算汽液两相流中的界面动力学问题;利用单组份汽液两相LBM模型与Laplace定律进行计算,结果表明液滴表面张力随温度升高而下降,该结论与实际流体表面张力与温度的关系定性上一致。这进一步验证了本文提出的单组份汽液两相LBM模型的有效性。     

表面单分子膜的垂悬液滴方法研究

提出一种扩展或收缩气/液界面单分子层的分子密度，用荧光成像技术检测单分子层的扩展或收缩效果的新方法——垂悬液滴分析方法-此方法通过改变液滴体积，对液滴界面上的表面活性剂分子实施扩展和收缩，具有Langmuir-Blodgett(LB槽)的功能-对表面活性剂荧光分子，用液滴的激光感生荧光图像，可以实时测量液滴界面的相对分子密度变化；用偏振荧光分析技术，可获取荧光偶极矩在液滴界面的相对取向-对罗丹明(B)表面活性剂分子ODRB的实验结果表明：1) 表面单分子层分子密度在压缩过程中遵循σ/σ_{0关键词：}     

格子Boltzmann方法在相变过程中的应用

提出了一种新的描述气液相变过程的单组分格子Boltzmann模型,利用该模型模拟水以及氨分别在R-K,RKS和P-R状态方程控制下的相变过程,发现相对于R-K和RKS状态方程,水以及氨在P-R状态方程控制下模拟结果均与实验值更接近;特别地,P-R状态方程更适合描述氨.为验证该模型处理两相问题的能力,利用该模型模拟不同温度下水以及氨在P-R状态方程控制下的界面密度梯度,所得的结果与经典的界面理论相符.为此,进一步探讨了气泡(液滴)与周围液体(气体)处于力平衡和热平衡时,气泡(液滴)内外压力差在不同温度下与其半径之间的关系,所得的结果满足Laplace定律,并得到了不同温度下水以及氨的表面张力,发现均与实验值符合得很好,且与表面张力临界理论甚为相符.     

基于悬滴法的纳米燃油表面张力测量与分析

以柴油为基液、溴化十六烷三甲基铵(Cetyltrimethyl Ammonium Bromide,CTAB)为助溶剂,通过两步法配制CNT(Carbon Nanotubc)、CeO₂及Co₃O₄纳米燃油。采用悬滴法测量柴油与纳米燃油的表面张力,探究纳米物质种类、粒径、质量分数及温度对纳米燃油表面张力的影响。研究发现,在纳米燃油液滴气液界面层内,纳米粒子与柴油分子之间的吸引力使液固分子体系总体的内聚力增强,因而表面张力增大;纳米燃油的表面张力随着粒子质量分数增加而增强,但随着温度升高而线性下降。大粒径的纳米粒子表面电荷密度降低,对表面电子束缚减小,电子游离所产生的与柴油分子之间的极化静电相吸作用更强,使液粒之间的范德华力增强,表面张力增大。在相同质量分数的条件下,非金属CNT的密度较小,纳米燃油中的粒子数目较多,此外其得电子能力更强,极易使周围柴油分子极化形成静电吸引,液粒间范德华力增强,因此CNT纳米燃油的表面张力最大;同为金属氧化物,Co₃O₄的分子量大于CeO₂而表现出较低的分子极性,其与基液燃油分子间的静电作用力也较弱,因而Co3O4纳米燃油的表面张力较低。本文测量了多种纳米燃油的表面张力,探讨了不同物质种类、浓度、尺寸的纳米介质及环境温度对燃油表面张力的影响,为纳米燃油在发动机缸内的液滴破碎与着火燃烧过程提供了重要的基础数据和理论支持。     

自推进的液滴

当液体的温度远远地超过它的沸点（如水在200℃-300℃）时，液体表面与汽相间会形成一薄层，液滴可漂浮于该层并在其中作无规则的滑动．这种现象称为“莱顿弗罗斯特效应”（Leidenfrost effect）．最近美国Oregon大学的H．Linke教授与他的澳大利亚合作者对此现象作了一些新的研究，他们让表面形成为锯齿形，这时漂浮在蒸汽层中的液滴受到锯齿状表面力的作用会产生自推进的运动，     

基于NI myDAQ数据采集器的表面张力系数测量系统

基于NI myDAQ数据采集器、应变式力传感器和位移传感器,用LabVIEW设计和制作了拉脱法测液体表面张力系数的实验系统,该系统可完整定量地记录液面拉破前后液面高度和液体表面张力的变化过程,液面高度测量精度达到0.01mm,表面张力测量精度达到10-5 N.用该系统测量了水、乙醇及其混合液体的表面张力系数,发现随着乙醇体积分数的增加,表面张力系数呈非线性递减,且液膜可拉伸长度也非线性减小.     

丁二酸-水纳米气溶胶液滴表面张力的分子动力学研究

表面张力在纳米气溶胶颗粒的吸湿生长研究中具有重要意义,然而现有实验方法不能对其准确测量.本文基于分子动力学方法模拟了丁二酸气溶胶颗粒吸湿生长形成稳定液滴的动力学过程,在此基础上,建立模型计算了液滴的表面张力,进而探究了温度、粒径和丁二酸浓度对纳米液滴表面张力的影响机制.结果表明,随着温度从260 K升高到320 K,液滴内分子间作用力的减弱导致了液滴表面张力的减小,且表面张力的减小程度随丁二酸浓度的增大而增大,究其主要原因在于液滴中丁二酸分子的径向分布随温度和丁二酸浓度变化的差异;随着粒径的增大,液滴表面张力先增大后趋于定值,且粒径对表面张力的显著影响区间随着丁二酸浓度的增大而缩短;研究还发现,丁二酸分子的表面活性导致液滴表面张力随着丁二酸浓度的增大而减小,且减小趋势符合对数函数形式,尤其是在粒径小于6.12 nm时,同时,基于Szyszkowski公式对液滴的表面张力进行了拟合.本文研究成果能为气溶胶颗粒的吸湿生长和相关动力学过程预测理论及模型的改进提供参数依据.     

固体表面上流动膜沸腾与液滴蒸发机理研究的新进展

当单个液滴落在温度超过某一临界值的炽热固体表面上时,液滴会像弹性球一样跳跃,并伴随着液滴表面蒸发而滴径逐步缩小.这种现象由J.G.Leidenfrost在1756年所发现,是物理学上著名的“球化态”奇异现象,称为Leidenfrost现象.出现此现象的热表面临界温度则称为 Leidenfrost温度(LFT).不同液体在不同压力下和不同表面状况的LPT是不同的.常压下水在一般平整度的钢铁表面上的LFT大约为300℃.液滴大小不同时所呈现的Leidenfrost现象也会有差异.滴径较大的液滴撞击温度超过LFT的热表面时,将克服表面张力的制约而伸展成圆盘状,悬浮在炽热固体…     

基于响应面的铝板表面液滴冻结过程的实验研究

本文以铝板表面上液滴冻结过程为研究对象，研究多因素交互作用在液滴冻结过程中的影响规律。基于响应面实验方法，对不同的冷壁表面温度、空气温度、液滴初始温度及液滴体积的液滴冻结过程展开实验研究。结果表明：冷壁表面温度对液滴的冻结时间影响最大，其次是液滴体积和空气温度，而液滴初始温度对液滴冻结时间影响最小。由方差分析可知，冷壁表面温度和液滴体积之间的交互作用对液滴冻结时间表现显著，其他交互项作用不显著。     

微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究

将高精度的二氧化碳状态方程与气液两相流格子Boltzmann方法中的伪势模型耦合,研究微通道内二氧化碳气液两相流动的界面动力学行为,包括二氧化碳气泡和液滴的分裂、合并、变形,以及气液两相二氧化碳在演化过程中的质量交换.研究发现：当分裂和合并行为达到平衡,并且两相之间不发生质量交换时流动达到稳态.稳态时的流型主要依赖于表面张力,惯性力,管道的润湿性,以及初始体积分数.当表面张力较大时,微通道内形成的二氧化碳气泡或液滴会收缩成圆形,此时二氧化碳气泡或液滴会堵塞微通道,形成段塞流;随着表面张力的减小,形成的气泡或液滴不容易收缩,在微通道内更容易发生变形,出现泡状流或环状流.当壁面润湿性为强疏水性时,二氧化碳在微通道中的流动为环状流,其它润湿性下,流型为段塞流.体积分数较小时,二氧化碳两相流动的流型为段塞流,体积分数较大时,流型为环状流.     

液滴撞击加热壁面传热实验研究

本文采用高速摄像仪对水滴和乙醇液滴撞击加热壁面后的蒸发过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击加热壁面后的蒸发特性参数. 实验中, 两种液体初始温度均为20 ℃, 不锈钢壁面初始温度范围为68-126℃. 水滴初始直径为2.07 mm, 撞击壁面时Weber 数为2-44; 乙醇液滴初始直径为1.64 mm, Weber数为3-88. 结果表明, 液滴受到重力、表面张力及流动性的影响, 在蒸发过程的大部分时间内, 水滴高度持续降低而接触直径几乎不变; 蒸发后期, 液滴发生回缩, 水滴的接触直径、高度和接触角出现振荡现象. 乙醇液滴的接触角随时间的增加呈现先减小随后保持不变的趋势, 而接触直径和高度则持续减小, 直到液滴完全蒸发. 液滴蒸发总时长与液体物性和壁面温度有关, 随壁面温度的升高而减小, 与液滴撞击壁面时的Weber 数无关. 同时, 随着壁面温度的升高, 液滴显热部分占总换热量的比重增大, 显热部分能量不可忽略, 本文实验条件下得到水滴的平均热流密度为0.014-0.110 W·mm^-2.     

基于孔口出流模型的实验研究及理论分析

基于孔口出流模型对底部有小孔的圆柱体容器中液体液面高度随时间的变化规律进行了实验研究,并通过计入液体表面张力引起的孔口收缩和流体黏滞力导致的能量损失对实验结果进行了理论分析,与实验结果一致.     

振动诱导液滴与液面不融合现象的研究

发现硅油液滴能够停留在竖直振动的硅油液面上,通过等厚干涉实验说明液滴和液面间存在空气薄膜,分析空气膜形状的变化过程,并依此建立简化模型论述空气膜阻止液滴与液面融合的原理.实验构造了浸没在硅油液面下的硅油液滴,建立理论模型估算空气膜的平均厚度,并与实验估测值对比.本文对多个液滴在液面上呼吸模式的振动现象作了描述和解释.     

混合悬浮液中纳米颗粒对核化形态的影响

均相沸腾活化核心的形成靠液体分子(或密度)脉动形成,低过热温度下临界活化核心比纳米颗粒本身粒径要大很多,颗粒添加的影响相对很小,依旧保持为均相沸腾。随着液体过热温度的增加至临界活化核心与颗粒尺寸可比时,颗粒才有可能成为新的活化核心,液体内部的均相沸腾也转变为非均相沸腾,但在考虑颗粒吸附的情况下,颗粒的吸附会使表面部分核化中心失去活性,弱化了原有非均相核化。     

悬垂液滴受迫振动的数值模拟与实验研究

利用有限元法进行数值模拟,研究了悬垂在针尖上的液滴在二阶模态下的振动情况.结果表明,悬垂液滴的固有振动频率与失重下自由液滴的固有振动频率间存在线性关系,该线性关系与液体的表面张力系数、液体的密度和针直径有关,与液体的黏度和"表面张力系数密度之比"无关;在声场的激励下,液滴的位移共振曲线与受迫振动的标准速度共振曲线在形状上一致,并且阻尼系数与黏度、表面张力系数、针直径呈正相关,而与密度、"表面张力系数与密度之比"呈负相关.最后以水为例将模拟结果与实验数据做了对比,两者符合得很好.     

蒸汽爆炸粗混合过程中的蒸发阻力模型

在蒸汽爆炸的粗混合过程中,由于液体的快速蒸发,高温金属液滴的周围会产生一层很薄的蒸汽膜,此时液滴周围的边界层流动与没有液体蒸发时有很大的不同,因此,常温情况下的小球在连续液体中运动时的通用阻力模型在这种情况下是不适用的．本文通过受力分析,考虑了高温小球受力的分布和表面蒸发对小球周围力的影响,从阻力的基本机理上分析了蒸发状态下小球的运动阻力,分别提出了高温颗粒穿过自由表面时与其在液体中运动时的蒸发阻力模型．分析表明,当小球温度高于2500 K,特别是在靠近自由表面的区域,由于小球表面液体蒸发而产生的蒸发阻力作用非常明显．分析指出,小球的入水初速、小球表面的液体蒸发速率以及汽膜厚度都是影响小球运动阻力大小的重要因素．