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.     

基于MRT-LB伪势模型的液滴撞击液膜数值研究

运用改进的格子玻尔兹曼（LB）伪势多松弛多相模型，研究单/双液滴撞击液膜的流动特性.考察单液滴在不同气液相密度比时撞击液膜的发展.随着密度比的减小，冠状水花顶端开始向内弯曲，且底部半径显著减小.在大密度比情况下研究双液滴撞击液膜.结果表明：双液滴撞击液膜有中心射流的形成；液滴水平间距的增大，延缓中心射流的出现，并降低初始中心射流的高度；随Re数的增加，中心射流的高度明显增大.     

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.     

液滴撞击超亲水表面的最大铺展直径预测模型

液滴撞击超亲水表面铺展之后形成的薄液膜铺展直径是喷雾冷却、降膜蒸发等传热传质过程的一项关键控制参数.以往模型在预测超亲水表面惯性力驱动下的最大铺展直径时,存在低韦伯数下呈反常趋势、高韦伯数下预测值偏低等问题.针对上述问题,本文采用高速摄像技术研究液滴撞击过程中的铺展水力学特性,发现了以往模型未完全考虑超亲水表面的铺展特性:球冠状液膜、高黏性阻力及重力势能做功.本文考虑了液膜球冠形态、重力势能、辅助耗散,修正了以往最大铺展直径的预测模型,并建立了适用于超亲水表面最大铺展直径的预测模型.通过对铺展过程中各能量成分分析发现,在超亲水表面上动能、表面能、重力势能均转化为黏性耗散能,其中:在低韦伯数下,表面能转化为黏性耗散能占主要作用;在高韦伯数下,动能转化为黏性耗散能占主要作用.并且,在低韦伯数下,重力势能和辅助耗散的引入对于准确预测超亲水表面最大铺展直径具有重要作用.将模型预测结果与实验结果比较发现,本模型成功消除了以往模型在低韦伯数下的反常趋势,且能较好预测宽韦伯数范围下超亲水表面最大铺展直径.同时,本模型可以预测亲水和疏水固体表面的液滴最大铺展直径.超亲水表面最大铺展直径的准确预测模型的提出对喷雾冷却,降膜蒸发中提高和控制流体铺展距离和传热效率具有重要意义.     

液滴撞击液膜的流热耦合界面追踪方法数值模拟

采用界面追踪方法研究蒸馏过程中液滴撞击高温薄液膜的流动和传热特性，将数值结果与解析解和实验进行比较验证模型的正确性，研究气液界面和热流分布的演变过程.同时，分析液滴We数和无量纲液膜厚度对传热的影响.液滴撞击后的热流密度分布显示：液膜可分为撞击区、过渡区和静态区.由于液滴的撞击作用，强制对流是撞击区内主要的传热机制.增大液滴的韦伯数或减小无量纲液膜厚度会加强热量传递.随着液滴韦伯数的增加，冲击引起的扰动增强，在动量和能量共同作用下，平均热流密度明显增大，撞击区冠状水花越明显.无量纲液膜厚度越小，平均热流密度越大，且有更长的时间保持高热流密度换热.     

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。     

液滴冲击液膜过程实验研究

实验显示了液滴撞击物体表面液膜后产生水花、发生飞溅,特别是产生“钟形”水花等的流动现象.根据实验结果,探讨了液滴冲击速度、液体黏性、表面张力、液滴直径和液膜厚度等对液滴冲击后产生的流动现象,以及液膜形状演化的影响,分析了观测到的鲜有文献报道的液滴撞击液膜后产生“钟形”水花的现象.     

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     

液滴冲击液膜过程实验研究

实验显示了液滴撞击物体表面液膜后产生水花、发生飞溅,特别是产生“钟形”水花等的流动现象.根据实验结果,探讨了液滴冲击速度、液体黏性、表面张力、液滴直径和液膜厚度等对液滴冲击后产生的流动现象,以及液膜形状演化的影响,分析了观测到的鲜有文献报道的液滴撞击液膜后产生“钟形”水花的现象. 关键词： 液滴 液膜 冲击 流动显示     

液滴撞击孔口附近壁面运动过程的模拟研究

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟了液滴撞击带孔壁面的问题, 提出了随计算区域变化的链表搜索法. 结合实验进一步研究了不同物理条件下黏性、重力和内部压应力波动对铺展过程中液滴在 孔口运动情况的影响, 详细分析了有限时间段内孔口断面处的压强变化. 结果表明: 液滴撞击表面后快速向两端铺展, 到达孔口上方时形成射流, 在极短暂时间内重力对射流的影响很小, 但是黏性会引起射流向孔内弯曲. 在内部压应力和惯性作用下射流下部产生有规律的波动, 使得孔口上方流体反复的膨胀和吸收将附近应力较高区域流体吸入孔内发生孔吸现象. 内部压应力是导致液滴被吸入孔内并撞击另一侧孔壁形成飞溅现象的主要原因, 模拟效果和实验结果符合良好. 关键词： 液滴 带孔壁面 光滑粒子流体动力学(SPH) 链表搜索法     

液滴在非互溶大黏度比液体表面的铺展特性

利用基于润滑理论的液滴在非互溶液体表面铺展的物理模型,探讨大黏度比情形下黏度比对液滴演化过程和平衡形状的影响,分析液滴厚度、铺展半径等特征参数的变化。结果表明：接触线附近液—液界面的变形受黏度比和表面张力比的影响;提高黏度比将导致铺展速率降低、时间常数减小,进而延长演化历程,但不影响液滴最终稳定形状;铺展半径与时间的关系满足x_max= 1 - 0.2 exp(- βt);大黏度比液滴铺展后期并未出现小黏度比时的惯性振荡现象。     

Lattice Boltzmann Solver for Multiphase Flows: Application to High Weber and Reynolds Numbers

The lattice Boltzmann method, now widely used for a variety of applications, has also been extended to model multiphase flows through different formulations. While already applied to many different configurations in low Weber and Reynolds number regimes, applications to higher Weber/Reynolds numbers or larger density/viscosity ratios are still the topic of active research. In this study, through a combination of a decoupled phase-field formulation—the conservative Allen–Cahn equation—and a cumulant-based collision operator for a low-Mach pressure-based flow solver, we present an algorithm that can be used for higher Reynolds/Weber numbers. The algorithm was validated through a variety of test cases, starting with the Rayleigh–Taylor instability in both 2D and 3D, followed by the impact of a droplet on a liquid sheet. In all simulations, the solver correctly captured the flow dynamics andmatched reference results very well. As the final test case, the solver was used to model droplet splashing on a thin liquid sheet in 3D with a density ratio of 1000 and kinematic viscosity ratio of 15, matching the water/air system at We = 8000 and Re = 1000. Results showed that the solver correctly captured the fingering instabilities at the crown rim and their subsequent breakup, in agreement with experimental and numerical observations reported in the literature.     

Microdroplet targeting induced by substrate curvature

Fundamental understanding of the wettability of curved substrates is crucial for the applications of microdroplets in colloidal science, microfluidics, and heat exchanger technologies. Here we report via lattice Boltzmann simulations and energetic analysis that microdroplets show an ability of transporting selectively to appropriate substrates solely according to substrate shape(curvature), which is called the substrate-curvature-dependent droplet targeting because of its similarity to protein targeting by which proteins are transported to the appropriate destinations in the cell. Two dynamic pathways of droplet targeting are identified: one is the Ostwald ripening-like liquid transport between separated droplets via evaporating droplets on more curved convex(or less curved concave) surfaces and growing droplets on less curved convex(or more curved concave) surfaces, and the other is the directional motion of a droplet through contacting simultaneously substrates of different curvatures. Then we demonstrate analytically that droplet targeting is a thermodynamically driven process. The driving force for directional motion of droplets is the surface-curvature-induced modulation of the work of adhesion, while the Ostwald ripening-like transport is ascribed to the substrate-curvature-induced change of droplet curvature radius. Our findings of droplet targeting are potentially useful for a tremendous range of applications, such as microfluidics, thermal control, and microfabrication.     

Lattice Boltzmann simulations of drops colliding with solid surfaces

Video images of drops colliding with solid surfaces shown by Rioboo et al. (2002) reveal that, for large drop velocities, the drops flatten and form a ring structure before receding and, in some cases, rebounding from the surface. They described the sequence of events in terms of four distinct regimes. During the initial kinematic phase, the dimensionless wetting radius of the drop follows a universal form if the drop Weber and Reynolds numbers are sufficiently large. In the second phase, the drop becomes highly flattened and the values of the Weber and Reynolds numbers influence the time evolution of the dimensionless wetting radius and its maximum value. This is followed by a third phase in which the wetting radius begins to decrease with time and the wettability of the surface influences the dynamics. This paper presents simulation results for the early stages of drop impact and spreading on a partially wetting solid surface. The simulations were performed with a modified version of the lattice Boltzmann method (LBM) developed by Inamuro et al. (2004) for a liquid-gas density ratio of 1000. The Inamuro et al. version of the LBM was modified by incorporating rigid, no-slip boundary conditions and incorporating a boundary condition on the normal derivative of the order parameter to impose the desired equilibrium contact angle.     

The Effects of Wettability on Primary Vortex and Secondary Flow in Three-Dimensional Rotating Fluid

The secondary flow driven by the primary vortex in a cylinder,generating the so called "tea leaf paradox",is fundamental for understanding many natural phenomena,industrial applications and scientific researches.In this work,the effect of wettability on the primary vortex and secondary flow is investigated by the three-dimensional multiphase lattice Boltzmann method based on a chemical potential.We find that the surface wettability strongly affects the shape of the primary vortex.With the increase of the contact angle of the cylinder,the sectional plane of the primary vortex gradually changes from a steep valley into a saddle with two raised parts.Because the surface friction is reduced correspondingly,the core of the secondary vortex moves to the centerline of the cylinder and the vortex intensity also increases.The stirring force has stronger effects to enhance the secondary flow and push the vortex up than the surface wettability.Interestingly,a small secondary vortex is discovered near the three-phase contact line when the surface has a moderate wettability,owing to the interaction between the secondary flow and the curved gas/liquid interface.     

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     

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     

改性疏水固壁润湿性反转现象的格子Boltzmann方法模拟

基于疏水固壁改性会引起润湿性反转的特点,采用考虑固体与液体间分子力的格子Boltzmann方法,从壁面的线性和瞬时改性两方面对润湿性反转现象进行了数值模拟,并结合流体体积方法处理界面层质量.结果表明:壁面线性改性的过程中润湿性反转变化平稳,润湿所需时间大幅减少,所得到的接触角与固液吸引力系数的关系与其他文献结果一致;壁面瞬时改性幅度越大说明固壁对液滴作用力越强,表现为润湿性变化越明显,瞬时改性后接触角随时间呈指数规律变化,这与现有结论相符合.研究发现:在改性条件下液膜铺展过程中伴随着振荡变化,线性改性的振动峰值与改性幅度相关;瞬时改性的液膜速度会在某一时刻突然增大,这种现象与夹带空气有关.     

液滴撞击液膜过程的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法对液滴撞击液膜过程进行了研究, 主要考察了雷诺数(Re)、韦伯数(We)、相对液膜厚度 (h) 以及表面张力 (σ) 等物理参数对界面运动过程的影响. 首先, 随着Re数和We数的增加, 可以明显观察到液滴撞击液膜过程中形成的皇冠状水花以及卷吸现象; 当Re数较大时, 液体会发生飞溅, 由液体飞溅形成的小液滴则会继续下落, 并与液膜再次发生碰撞. 其次, 当相对液膜厚度较小时, 液滴撞击液膜并最终导致液膜断裂; 然而随着相对液膜厚度的增大, 尽管撞击过程溅起的液体会越来越多, 但是液膜并不会发生断裂. 再次, 随着表面张力的增大, 界面变形阻力增大, 撞击过程中产生的界面形变也逐渐减弱. 最后还发现皇冠(由液滴溅起形成)半径r 随时间满足r/(2R) ≈ α√Ut/(2R), 这一结果与已有结论是一致的.