超声波电喷推力器羽流中和特性研究

超声波电喷推力器主要应用在小卫星(10 kg)平台,为解决该类型推力器的羽流在中和过程中产生的推力偏角以及能效低的问题,对超声波电喷推力器的羽流中和过程进行数值研究.为实现电喷推力器羽流特有物理过程的仿真,建立了一种带电液滴中和模型(NECD模型),对电子-正电液滴的中和过程进行捕捉,包括带电粒子的输运过程、电子液滴碰撞过程以及液滴的破碎与重组等过程;为验证模型的可行性和精度,开展推力测量和羽流高速照相试验,以工况相同试验和仿真结果进行对比.结果显示,该模型的综合计算误差在20%左右,在不同工况下可以和试验值形成趋势上的符合.基于该计算模型,对放电功率为2 W、放电电流为2 m A的超声波电喷推力器进行羽流输运过程的数值模拟,获得表征羽流中和特性的几种参数分布,包括数密度、电荷密度、液滴体积大小等,并统计出各类能耗所占比例,解释了推力偏角和能效低问题的内在机理以及为相应优化提供参考.     

超疏水表面冷凝液滴行为与生长机制

本文制备了具有微-纳二级结构的超疏水表面,并在湿空气自然对流条件下进行了水平表面冷凝实验。实验结果表明,冷凝液滴行为可分为液滴合并、液滴弹跳和液滴扫掠三类。其中液滴弹跳与液滴扫掠行为均是由液滴合并触发的自推进液滴行为。液滴扫掠与液滴弹跳的区别是,目标液滴未能跳离表面,而是沿表面运动,并吞并沿途的液滴,留下狭长的运动轨迹,且轨迹尽头停留一个大液滴。本文亦通过统计方法,获得了超疏水表面上冷凝液滴的粒径分布、平均直径、表面覆盖率等,研究了液滴种群和单个液滴的生长机制。     

微尺度下锥形微操作探针表面液滴形成的研究（英文）

基于液滴的转移方法可实现微操作任务中微对象的拾取,锥形操作探针则常作为一种毛细力微操作执行工具。主要研究在空气冷凝模式下锥形探针端面的液滴形成。建立了微液滴形成的数学模型,主要包括初始液滴的形成、液滴的合并和液滴的移动,研究了影响操作液滴的关键参数,分析表明:过冷度决定最小液滴半径。对单液滴的生长机制进行理论分析,并通过数值求解的方法模拟了锥形操作探针端面的液滴形成。搭建实验测试平台,实验研究了微尺度下锥形微操作探针端面的液滴形成。实验结果表明:在空气冷凝模式下,操作探针端面能够形成微液滴。经过初始液滴的形成,液滴的合并和移动等过程最终可形成稳定的微液滴,且不同锥顶角下液滴的形成呈现多样化。     

温差驱动微通道内液滴迁移特性数值模拟研究

液滴微流控芯片是以液滴作为基本操作单元的微流控芯片,为实现其应用,需要对其中的液滴进行相应操控。利用温度场可以实现对液滴的迁移、聚合等方面的操控。本文针对温度场操控液滴迁移,采用VOF方法研究温差驱动微通道内液滴迁移特性,并探究温差、液滴尺寸以及液滴类型对液滴迁移特性的影响。研究结果能为温度场驱动的液滴微流控应用提供理论指导。     

滴状凝结全过程液滴尺寸分布数值模拟

研究液滴在冷凝表面的尺寸分布特征,不仅有助于了解冷凝表面换热机理,同时也为疏水表面的设计提供参考依据。本研究中,借助于液滴生长、合并和脱落全过程的数值模拟方法,研究液滴凝结核密度和液滴脱落尺寸对液滴尺寸分布的影响。模拟中采用热阻模型对液滴生长进行描述,利用链表搜索算法加速液滴聚合及新凝结核确定的搜索过程,再现大液滴脱落和表面清扫过程。模拟结果与实验结果及理论模型吻合良好。模拟结果表明,随着凝结核密度增大,小液滴数密度相对增加,液滴平均半径减少;随着液滴脱离半径减小,液滴尺寸范围减小,液滴尺寸分布整体升高。     

盐水液滴撞击固体壁面接触特性实验研究

采用高速摄像仪对不同浓度盐水液滴撞击水平固体表面的现象进行了观测并记录,总结了接触角、铺展系数和无量纲高度的变化规律,并对其影响参数进行了分析。结果表明:在液滴铺展阶段,盐水液滴的动态接触角大于纯水液滴的,在回缩阶段,其动态接触角反而小于纯水液滴的;液滴铺展系数随盐浓度的增加而减小;液滴直径增大,其最大铺展系数增大,铺展系数变化的震荡频率减弱;对于较大直径液滴,在铺展阶段,盐浓度对液滴动态铺展特性影响较小;随液滴撞击速度增加,液滴的铺展系数增大,而回缩到最小铺展直径所用时间缩短,液滴震荡越易受到抑制;相对于速度而言,液滴直径大小更能影响液滴的震荡频率。     

VOF方法数值计算双液滴蒸发与燃烧

采用VOF两相数值方法建模前后移动的双正癸烷液滴在高温对流空气中的燃烧过程,分析了不同液滴中心间距对前后液滴燃烧速率的影响。结果表明:液滴蒸发可分为预热期和稳定蒸发期,在液滴生存期的大部分时间内,基本满足d~2定律,且存在一定变形;前后布置时,上游液滴的燃烧速率和单液滴燃烧速率相近,低雷诺数下,下游液滴的燃烧速率随液滴中心间距增大而增大,最终趋于单液滴的燃烧速率。     

液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究

利用高速摄影仪记录了不同液滴撞击固体表面的形态变化过程, 并探讨了液滴撞击参数对撞击过程液滴形态的影响. 结果表明: 液滴黏度对液滴铺展过程起着决定性作用, 液滴表面张力对液滴铺展后的回缩起到主导作用, 两者的共同作用决定着液滴的震荡特性; 撞击速度的提高会增大液滴的最大铺展因子, 但达到最大铺展的时间因表面张力的不同呈现不同变化规律.     

离子液体液滴在加热平板上的铺展特性研究

采用FLIR红外热像仪对离子液体及其水溶液液滴撞击加热平板后的表面温度分布进行研究,分析了液滴铺展直径随平板加热温度及加热时间的变化规律。结果表明:随着液滴与平板加热时间的增加,液滴表面温度分布均由凹状分布变化至均匀分布;随着平板温度的增加,液滴表面温度增加。随着加热时间的增加,水液滴直径缓慢减小,并在某一时刻急剧降低;而对于60wt%离子液体液滴及纯离子液体液滴,液滴直径反而缓慢增加并趋于稳定。随着加热温度的增加,水液滴直径急剧降低的时刻点前移,对于60wt%离子液体溶液液滴,液滴直径变化规律不明显,而对于纯离子液体液滴,液滴直径逐渐增加。     

微尺度下锥形微操作探针表面液滴形成的研究（英）

基于液滴的转移方法可实现微操作任务中微对象的拾取,锥形操作探针则常作为一种毛细力微操作执行工具。主要研究在空气冷凝模式下锥形探针端面的液滴形成。建立了微液滴形成的数学模型,主要包括初始液滴的形成、液滴的合并和液滴的移动,研究了影响操作液滴的关键参数,分析表明:过冷度决定最小液滴半径。对单液滴的生长机制进行理论分析,并通过数值求解的方法模拟了锥形操作探针端面的液滴形成。搭建实验测试平台,实验研究了微尺度下锥形微操作探针端面的液滴形成。实验结果表明:在空气冷凝模式下,操作探针端面能够形成微液滴。经过初始液滴的形成,液滴的合并和移动等过程最终可形成稳定的微液滴,且不同锥顶角下液滴的形成呈现多样化。     

憎水表面光控液滴蒸发及冷凝液滴的演化特性

实验利用可视化方法研究了憎水表面上聚焦激光局部加热作用下液滴的蒸发特性及主液滴周围冷凝液滴的生成及演化特性。波长为1550 nm的红外激光作为局部热源控制液滴的相变。结果表明:冷凝液滴随着热蒸汽在过冷基底上的冷凝而不断生长,冷凝液滴之间的聚并现象使其尺寸快速增大。冷凝液滴的演化过程受到液滴蒸发强度和冷凝持续时间的综合影响。当激光加热偏离液滴中心位置时,冷凝液滴仍然较为均匀地分布在主液滴周围。     

竖直表面液滴运动的数值模拟

为研究具有不同润湿特性的表面上液滴运动的规律,本文依据液滴接触角与基底方位角的关系以及运动液滴的动态接触角模型,运用Fluent软件,实现了对竖直表面上静止和运动液滴的数值模拟,得到了液滴的形貌以及内部的速度分布。模拟所得竖直表面上静止液滴和运动液滴的接触角和形貌均与实验结果吻合较好。液滴内部速度分布表明,裸铝表面(亲水)上液滴的运动方式为滑动;114°疏水表面上的液滴内部出现不完整的环流,但仍然以滑动运动为主;而145°疏水表面上液滴以滚动方式向下运动,液滴运动较快。     

均匀液滴尺寸及间距的实验研究

液滴发生器产生液滴的尺寸和间距影响液滴层的辐射和蒸发特性,液滴尺寸及间距的可控性值得重点关注。根据Weber的射流不稳定修正方程,确定了均匀液滴流产生的无量纲波数及扰动频率范围,结合射流质量守恒,分析了均匀液滴流中液滴的尺寸和间距与无量纲波数的关系。在不同喷孔直径和射流压力下,对理论和实验结果进行了对比,验证了液滴尺寸和液滴间距的理论计算结果,为液滴层辐射蒸发特性的研究提供了依据。     

超疏水表面上多液滴合并触发液滴弹跳现象的理论分析

超疏水表面上由冷凝液滴的合并触发的液滴弹跳现象在自清洁、强化传热、防结霜等工程领域均有广阔的应用前景。本文建立了一个能量模型以分析多液滴合并触发的液滴弹跳现象。依据本文模型,在液滴弹跳过程中,涉及到表面能、黏性耗散、重力势能、阻滞功、振动动能和平动动能等能量形式的变化及转换,当有更多的表面能转化为平动动能时,液滴弹跳速度会更快。结果表明,多液滴合并能够释放更多的表面能,分布更集中的液滴之间的合并有利于获得更多的平动动能,使液滴弹跳速度更大。此外,存在最小的临界液滴半径和半径比,小于该半径或半径比时,不会发生液滴弹跳。随合并液滴数量的增加,该最小的临界液滴半径和半径比均减小。     

匀强电场作用下液滴撞击壁面的动态行为

基于Open FOAM开源软件平台,采用VOF方法耦合电场方程组,数值模拟匀强电场作用下液滴撞击壁面的动态行为,研究电场强度、壁面浸润性对液滴行为的影响,获得电场、流场相互耦合作用下液滴周围电荷密度、电势的分布,重点关注电场力、电荷密度和壁面润湿性对液滴拉伸、撕裂的影响。研究结果表明:电场对液滴运动影响显著,电场力促使液滴拉伸高度增加;随着电场强度增强,电荷集中在液滴尖端,导致液滴喷射现象发生。液滴撞击亲水壁面,底部形成泰勒锥,内部出现涡流,随着壁面浸润性的提高,液滴喷射时间提前,液滴底部不会在疏水壁面上黏接。     

甘油液滴与水平固壁面碰撞力的试验研究

本文通过搭建液滴碰撞试验台,研究了甘油液滴分别撞击干燥水平壁面和带液滴壁面时碰撞力随时间的变化规律。研究结果显示:液滴撞击干燥壁面时,碰撞力峰值随碰撞速度与液滴直径的增大而增大;不同液滴直径与碰撞速度下的无因次碰撞力-无因次时间曲线明显贴近,无因次碰撞力峰值随液滴雷诺数增大而具有下降趋势;撞击带液滴壁面会使碰撞力峰值减小,碰撞力持续时间延长,液滴撞击带液滴壁面与干燥壁面的碰撞力峰值之比随碰撞速度增加先减小后趋于平缓。     

1985nm激光加热下水滴蒸发实验研究

设计了激光加热液滴蒸发的实验装置,使用石英丝对液滴进行悬挂,采用1985 nm波长激光器对液滴进行加热,利用显微摄像头和红外热像仪对蒸发过程进行监测,通过分析软件得到液滴直径、表面温度分布等相关参数。实验结果表明,激光加热下液滴蒸发过程包括预热段和主蒸发段,预热段液滴尺寸变化不明显,主蒸发曲线同d~2定律相差较大。整个蒸发过程中液滴温度呈现明显的不均匀性,并从液滴预热段温度变化上发现明显的液滴内部流动现象。此外,随着功率增大,蒸发速率也随之增大,液滴蒸发时间缩短,液滴的最高温度升高。     

自润湿流体液滴的热毛细迁移特性

采用数值模拟方法研究了自润湿流体液滴的热毛细迁移特性.基于润滑理论和滑移边界条件建立了二维液滴运动的演化模型,分析了液气界面张力极小值对应温度在壁面上的位置(临界点)与液滴位置间的相对关系对液滴运动特性的影响.结果表明,对于壁面润湿性不随温度变化的情形,随液滴初始位置相对临界点的向左移动,液滴的迁移方向发生改变,但液滴受热毛细力驱动总是向界面张力高的方向移动.对于壁面润湿性随温度变化的情形,无论液滴初始放置于临界点何处,受高温侧壁面润湿性恶化的影响,液滴均向低温区迁移;随液滴初始位置相对临界点的向左移动,液滴受方向向左的热毛细力增大,提高了其向低温区的迁移速率.控制自润湿流体液滴运动可通过调控临界点与液滴位置间的关系来实现,欲抑制液滴向低温区的迁移,则应将液滴放置于临界点右侧.     

蒸汽滴状冷凝液滴表面温度分布及演化

利用红外热成像技术研究了蒸汽滴状冷凝中液滴合并过程表面温度分布及演化机制,并基于此分析了不同尺寸液滴表面温度随传热通量变化的分布规律。实验结果表明:与蒸汽在微小液滴表面发生连续冷凝不同,液滴合并过程中蒸汽通过四个阶段实现在大液滴表面的周期性冷凝传热;其中,在液滴吸收蒸汽冷凝放热阶段和向壁面传热阶段之间存在一个平衡,高热通量时,蒸汽向液滴表面传热过程占主导,液滴表面温度随尺寸增加而升高;低热通量时,液滴向冷凝壁面传热过程占主导,液滴表面温度随尺寸增加而降低。液滴运动引起的蒸汽在大液滴表面直接冷凝过程为强化低压蒸汽冷凝传热提供了新思路。     

壁面吸附复合液滴的变形与运动特性

流动作用下壁面吸附复合液滴可呈现不同的动力学状态,了解其动力学状态转变及参数影响规律是操控液滴运移的关键.本文基于Front-tracking Method结合广义Navier边界条件建立了能够模拟移动接触线问题的数值方法。主要考察了层液滴毛细数、内层液滴大小、内层液滴毛细数对接触角滞后壁面吸附复合液滴动力学特性的影响。研究发现:外层液滴毛细数越大、内层液滴毛细数越小且内层液滴体积越大,复合液滴更容易从壁面脱附或被流体剪切发生破碎.