大液滴撞击不同润湿性小球的三维格子Boltzmann方法模拟

采用三维多松弛(MRT)Shan-Chen的格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟液滴撞击不同润湿性固体小球(液滴直径与小球直径比大于1)的动态过程,在多种方法验证计算模型准确性的基础上,探究液滴韦伯数、小球表面润湿性对液滴撞击小球动态过程的影响,以及液滴撞击小球后形成片层的几何特征与球面润湿性的关系。结果表明：液滴撞击小球后将形成钟罩形的片层,撞击亲水小球后的片层则会出现凹痕。当小球表面润湿程度一定时,片层的最大底径随韦伯数增大而增加。撞击亲水小球时,片层形成后会完全闭合,韦伯数越大,且片层完全闭合的时刻越早,并在闭合过程中片层容易发生破裂。而撞击疏水小球时,韦伯数越大,则片层发生破裂的时刻越早;在片层打开过程中,破裂后的片层成环条状下落,即片层的几何特征受韦伯数和小球润湿程度的共同影响。     

局部沸腾液滴内部气泡动态行为研究

本文采用微加热器对液滴进行局部加热,并对其蒸发沸腾现象进行了可视化研究。液滴局部加热后产生局部沸腾现象,内部生成单气泡,气泡附着在加热基板上,持续生长,当达到某个临界点气泡破裂。在加热初期,气泡生长速度很快,随着加热过程的不断进行,气泡的生长速度逐渐放缓;随着气泡生长顺序的不断推迟,最大直径减小;加热功率的提升会增加气泡的生长速度,缩短气泡的生长时间。通过对气泡破裂过程的研究,气泡破碎过程开始于气泡上方的液膜断裂,形成不稳定的瑞利流和向上喷射的液滴,在表面张力的作用下,恢复初始状态,气泡破裂直径大小会影响液滴的波动幅度与周期。     

液滴撞击壁面铺展及换热过程数值模拟

基于喷雾冷却时液滴撞击壁面现象,本文采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法对不同工况下单液滴撞壁过程进行数值模拟,获得了单液滴撞击热壁面动态特性;分析了初始速度、液滴直径等初始参数对液滴撞壁后的动态铺展规律以及壁面换热特性的影响规律,获得了上述参数变化时液滴铺展系数和热流密度的变化趋势;探讨了场协同效应、液滴内部气泡以及三线接触点对壁面换热的影响。碰壁现象的研究对于大型制冷机组室外机散热、高热流电子器件散热等领域优化与控制喷雾有重要意义。     

复杂微通道内气泡在浮力作用下上升行为的格子Boltzmann方法模拟

本文采用气-液两相流格子Boltzmann方法模拟了复杂微通道内气泡在浮力作用下的上升过程,主要研究障碍物表面润湿性、浮力大小、障碍物尺寸和气泡初始位置对气泡变形、分裂、合并的动力学行为以及对气泡上升速度、终端速度和气泡剩余质量的运动特性的影响.研究发现,障碍物表面接触角较小时气泡能够完整地通过障碍物通道,随着障碍物表面接触角增加,气泡通过障碍物通道时严重变形,并会发生分裂行为,使得部分气泡黏附在障碍物表面,从而导致气泡到达终端时质量减少.相应地,气泡上升速度以及终端速度也随着微通道表面接触角的增加而减小.另一方面,随着浮力的增加,气泡在上升过程中更容易发生分裂和合并现象,且气泡剩余质量和终端速度随着浮力的增加呈对数形式增加.此外,随着微通道障碍物半径增加,气泡剩余质量首先缓慢减小然后快速减小,而气泡终端速度近似呈线性减小.最后,数值结果还表明当气泡初始位置偏离管道中间时,其上升速度、气泡剩余质量以及气泡终端速度都与初始位置在管道中间时的变化趋势一致,然而对应的数值均减小,且气泡在上升过程中变形更严重.     

气泡与自由液面相互作用形成水射流的机理研究

为探究气泡与自由液面相互作用形成水射流的机理,利用高速摄影系统对电火花引起的气泡脉动和水射流现象进行了实验研究.通过改变气泡初始深度,得到了不同无量纲距离条件下气泡与自由面相互作用形成水射流和气泡脉动的动态过程的图像.通过对不同工况下水射流的形成过程的图像进行分析,发现气泡二次脉动引起的水面扰动与一次脉动引起的水面扰动的叠加是产生不同水面现象的实质性机理,而气泡距离自由液面的无量纲距离对两次扰动的叠加效果起着决定性影响.研究结果可以为气泡与自由液面相互作用导致不同水面现象的认知提供新的视角和参考.     

油水两相分散流的相界面浓度输运方程研究

通过对连续相湍流导致的油滴聚合和破裂现象的合理模化,本文建立了适用于垂直上升管油水两相分散流的相界面浓度输运方程.其中对连续相湍流驱动油滴随机碰撞引起的聚合现象模化时,考虑了两油滴间连续相液膜排出过程中的凹面膜效应.而在描述油滴与湍流涡随机碰撞导致的破裂现象时,考虑了破裂过程所产生油滴的大小不等的因素.利用所建立的相界面浓度输运方程对沿实验段轴向的相界面浓度变化进行了预测,结果与实验数据比较表明吻合很好.     

物性对电场下单气泡行为的影响

对电场作用下单气泡行为特点的研究有助于分析电场强化沸腾换热的机理.在本文中,利用VOF方法研究了气泡在直流电场下从壁面上升的过程,分析了液相相对介电常数及气液表面张力系数两种物性对单气泡行为的影响.研究发现,随着液相相对介电常数的增大,气泡脱离时间缩短,变形增加,内部对流增强.气液表面张力系数的增加能够延长气泡的脱离时间,但对气泡形态及内部流场的影响较弱.     

气泡在超声场中绕圈运动的高速摄影及其图像分析

借助高速摄影和图像分析技术对首次发现的附壁气泡的绕圈现象进行了实验研究,重点研究游移气泡的运动轨迹、附壁气泡的布阵过程、气泡的来源以及气泡的振动细节.研究发现游移绕圈气泡的运动轨迹呈现出不稳定、不规则、不光滑的特点.阵列气泡源于游移气泡,而游移气泡变成阵列气泡的方式主要是通过合并增大体积,从而减小所受的Bjerknes力,降低活性的方式实现的.游移气泡源于ALF(acoustic lichtenberg figure)空化云中大量空泡的合并,使以径向振动为主的空泡逐渐过渡到以表面波动为主的气泡.阵列气泡在Bjerknes力的作用下呈现出规则的表面波动,而体积更小受力更大的游移空泡的表面完全失稳,呈现极不规则的形貌,并对附近阵列气泡的表面波动产生影响.阵列气泡呈现出十分规则的排布,相邻阵列气泡之间的振动相位是相反的,表现为相互排斥.     

稠密颗粒射流撞击壁面颗粒膜表面波纹特征

采用高速摄像仪对稠密颗粒射流撞击有限尺寸壁面的流动过程进行了实验研究,重点研究了颗粒膜及其表面波纹特征,考察了颗粒粒径、射流速度和固含率等因素对颗粒膜形态和表面波纹的影响.研究结果表明,随着颗粒粒径增大,稠密颗粒撞壁流由颗粒膜向散射模式转变.与液体射流撞壁液膜相比,颗粒膜扩展角较大,射流速度对其影响不显著.稠密颗粒射流撞壁颗粒膜表面波纹存在明显的叠加现象,颗粒膜表面波纹频率比液膜大约低一个数量级.颗粒膜表面波纹主要由射流脉动引起,表面波纹频率与射流脉动频率具有相同的数量级.     

单液滴撞击倾斜液膜飞溅过程的耦合Level Set-VOF模拟

采用耦合水平集--体积分数法(CLSVOF)对液滴撞击倾斜表面液膜后液膜的形态演化及飞溅过程进行数值模拟, 并对液滴撞击液膜过程中形成的空气卷吸现象进行研究并探讨了撞击角对此的影响, 分析了液滴撞击后液体内部的压力和速度分布, 对液滴撞击倾斜表面液膜的飞溅过程进行讨论, 并与实验结果进行了对比, 验证了CLSVOF方法研究液滴撞击倾斜液膜的可行性. 结果表明, 液滴撞击倾斜液膜时前后两部分飞溅现象产生的机理不同, 前半部分飞溅是由于压差引起的颈部射流, 而后半部分则是由液膜径向流动产生的飞溅现象. 随着撞击角的增大, 空气卷吸气泡数量减少.     

Numerical study on the desorption processes of oil droplets inside oil-contaminated sand under cavitation micro-jets

The removal of the adsorbed oil droplet is critical to deoiling treatment of oil-bearing solid waste. Ultrasonic cavitation is regarded as an extremely useful method to assist the oil droplets desorption in the deoiling treatment. In this paper, the effects of cavitation micro-jets on the oil droplets desorption were studied. The adsorbed states of oil droplets in the oil-contaminated sand were investigated using a microscope. Three representative absorbed states of the oil droplets can be summarized as: (1) the individual oil droplet adsorbed on the particle surface (2) the clustered oil droplets adsorbed on the particle surface; (3) the oil droplet adsorbed in a gap between particles. The micro-jet generation during the bubble collapse near a rigid wall under different acoustic pressure amplitudes at an ultrasonic frequency of 20 kHz was investigated numerically. The desorption processes of the oil droplets at the three representative absorbed states under micro-jets were also simulated subsequently. The results showed that the acoustic pressure has a great influence on the velocity of micro-jet, and the initial diameter of cavitation bubbles is significant for the cross-sectional area of micro-jets. The wall jet caused by a micro-jet impacting on the solid wall is the most important factor for the removal of the absorbed oil droplets. The oil droplet is broken by the jet impinging, and then it breaks away from the solid wall due to the shear force generated by the wall jet. In addition to a higher sound pressure, the cavitation bubble at a larger initial diameter is more important for the desorption of the clustered oil droplets. Conversely, the micro-jet generated by the cavitation bubble at a smaller initial diameter (0.1 mm) is more appropriate for the desorption of the oil droplet in a narrow or sharp-angled gap.     

液滴碰撞液膜润湿壁面空气夹带数值分析

采用复合水平集-流体体积法并综合考虑传热及接触热阻的作用, 对液滴碰撞液膜润湿壁面空气夹带现象进行了数值分析. 揭示了夹带空气形成机理, 探索了夹带空气特性参数随碰撞速度和液膜厚度的变化规律, 获得了夹带空气作用下液滴碰撞润湿壁面的传热机理. 研究结果表明: 撞壁前气液两相压力差是引起气液相界面拓扑结构变化以及夹带空气形成的主要原因; 液滴碰撞速度与压缩空气层内压力以及相界面形变高度密切相关; 液滴接触液膜时, 碰撞轴上液滴底部和液膜表面速度相等, 大约是碰撞速度的1/2; 碰撞速度对夹带空气层底部到破碎点的无量纲弧长和最大无量纲夹带空气直径均存在较大的影响; 液滴和液膜的无量纲形变高度与斯托克斯数密切相关; 液膜初始厚度对液滴和液膜的无量纲形变高度和最大无量纲夹带空气直径影响较大; 撞壁初始阶段, 碰撞中心区域夹带空气对壁面热流密度分布存在较大的影响.     

单液滴正碰球面动态行为特性实验研究

在考虑空气阻力影响,确定液滴撞击球面速度的基础上,对较高韦伯数液滴撞击干燥球面动态行为过程进行了实验研究,分析了球面曲率与韦伯数对液滴撞击行为和铺展因子的影响,并与前人撞击平面结果进行了对比.实验表明,靠近撞击球面时,液滴降落速度出现明显波动;球面曲率对液滴撞击后行为影响明显,曲率较大时,液滴撞击后铺展液膜会超出球面直径并滑落,曲率较小时,液滴撞击后在球面上呈现明显的铺展、回缩、震荡、着附动态变化行为,此时最大铺展因子受曲率影响小,随曲率减小,逐渐趋向于撞击平面时的最大铺展因子;韦伯数对液膜铺展速率影响较小,但对液膜回缩时间影响明显,最大铺展因子随韦伯数增加逐渐增大,获得的关联式呈指数变化.     

剪切变稀液滴撞击不同浸润性壁面的数值模拟研究

基于有限元法,采用水平集方法捕捉相界面的移动,构建了液滴撞击固体壁面的数值模型.通过修正的幂律模型描述流体的非牛顿剪切变稀特性,探讨了剪切变稀特性对液滴撞击固体壁面后铺展行为的影响,分析了撞击不同浸润性壁面时剪切变稀特性对液滴撞击壁面行为的影响差异.研究结果表明:随着幂律指数m的减小,液滴撞击过程中的黏性耗散减小,液滴的形貌变化及无量纲参数变化更为显著.接触角为55°的情况下:当m降低至0.85时,液滴铺展过程中开始出现显著区别于牛顿流体液滴的振荡现象;当m降低至0.80时,液滴在回缩过程中会出现中心液膜断裂的情况.接触角为100°时,剪切变稀液滴均会出现振荡行为,振荡幅度随着m的减小而增大.接触角为160°时,牛顿流体液滴与剪切变稀液滴均会在回缩过程中弹起,但剪切变稀液滴的弹起速度更快.此外,基于数值计算结果,本文提出了接触角为55°情况下剪切变稀液滴撞击壁面后的最大无量纲铺展直径预测模型.     

Numerical Simulation of Vapor Bubble Growth and Heat Transfer in a Thin Liquid Film

A mathematical model is developed to investigate the dynamics of vapor bubble growth in a thin fiquid film, movement of the interface between two fluids and the surface heat transfer characteristics. The model takes into account the effects of phase change between the vapor and liquid, gravity, surface tension and viscosity. The details of the multiphase flow and heat transfer are discussed for two cases： （1） when a water micro-droplet impacts a thin liquid film with a vapor bubble growing and （2） when the vapor bubble grows and merges with the vapor layer above the liquid film without the droplet impacting. The development trend of the interface between the vapor and liquid is coincident qualitatively with the available literature, mostly at the first stage. We also provide an important method to better understand the mechanism of nucleate spray cooling.     

An experimental study on the motion of water droplets in oil under ultrasonic irradiation

The motion of a single water droplet in oil under ultrasonic irradiation is investigated with high-speed photography in this paper. First, we described the trajectory of water droplet in oil under ultrasonic irradiation. Results indicate that in acoustic field the motion of water droplet subjected to intermittent positive and negative ultrasonic pressure shows obvious quasi-sinusoidal oscillation. Afterwards, the influence of major parameters on the motion characteristics of water droplet was studied, such as acoustic intensity, ultrasonic frequency, continuous phase viscosity, interfacial tension, and droplet diameter, etc. It is found that when the acoustic intensity and frequency are 4.89 W cm⁻² and 20 kHz respectively, which are the critical conditions, the droplet varying from 250 to 300 μm in lower viscous oil has the largest oscillation amplitude and highest oscillation frequency.     

低温光滑壁面上水滴撞击结冰行为

采用高速摄像技术测试低温光滑壁面上水滴撞击结冰过程, 分析了撞击速度、壁面温度和材料热导率对水滴撞击铺展、振荡及结冰行为的影响规律. 结果表明, 低温壁面造成水滴最大铺展直径缩小, 且结冰时间随温度降低而缩短; 当撞击We数提高时, 水滴最大铺展直径增大, 而振荡和结冰时间减小; 同时材料热导率越高, 最大铺展直径越小, 结冰越迅速. 另外, 从热力学角度推导出水滴撞击结冰时间的理论公式, 预测误差<5.3%.     

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明:吸收功率在0.085~0.185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1~5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至0.27 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。