镓铟锡液滴撞击泡沫金属表面的运动学特性研究

常温下为液态的镓铟锡合金以其优异的导热性能在具有特殊要求的传热领域有着重要的应用价值,与传统流动介质相比较大的表面张力使得其产生的流动现象必有所区别.本文研究镓铟锡所形成的液滴撞击泡沫金属表面后所产生的铺展、回缩及回弹现象.采用高速相机拍摄液滴投影轮廓随液滴运动的变化过程,并通过图像处理获得不同撞击速度、底板表面孔径下的液滴铺展系数、中心位置轮廓高度以及液滴回弹后在空中的振动特性.研究结果表明:具有较高表面张力的镓铟锡液滴的铺展系数随无量纲时间的变化在铺展初始阶段仍满足常规流体的1/2次幂关系,只在铺展后期与底板的无量纲孔径有关系;液滴的最大铺展系数在较小无量纲孔径底板大于在光滑镍板,且随底板无量纲孔径增大而逐渐减小;在回弹过程,由于底板孔隙结构的存在使得液滴回弹后在空中的振动呈现3种形态:规则的横向和纵向振动、带旋转的横向和纵向振动以及旋转振动;最后,通过对振动频率的拟合和分析,进一步拓展了传统振动频率理论公式在非规则振动过程预测中的应用.      

镓铟锡液滴撞击泡沫金属表面的运动学特性研究

常温下为液态的镓铟锡合金以其优异的导热性能在具有特殊要求的传热领域有着重要的应用价值,与传统流动介质相比较大的表面张力使得其产生的流动现象必有所区别.本文研究镓铟锡所形成的液滴撞击泡沫金属表面后所产生的铺展、回缩及回弹现象.采用高速相机拍摄液滴投影轮廓随液滴运动的变化过程,并通过图像处理获得不同撞击速度、底板表面孔径下的液滴铺展系数、中心位置轮廓高度以及液滴回弹后在空中的振动特性.研究结果表明:具有较高表面张力的镓铟锡液滴的铺展系数随无量纲时间的变化在铺展初始阶段仍满足常规流体的1/2次幂关系,只在铺展后期与底板的无量纲孔径有关系;液滴的最大铺展系数在较小无量纲孔径底板大于在光滑镍板,且随底板无量纲孔径增大而逐渐减小;在回弹过程,由于底板孔隙结构的存在使得液滴回弹后在空中的振动呈现3种形态:规则的横向和纵向振动、带旋转的横向和纵向振动以及旋转振动;最后,通过对振动频率的拟合和分析,进一步拓展了传统振动频率理论公式在非规则振动过程预测中的应用.     

非等温粗糙表面液滴撞击特性试验与仿真研究

非等温固体表面液滴碰撞现象广泛存在于航空航天领域机械零部件中,液滴碰撞动力学行为的研究对提升机械零部件传热换热以及润滑性能具有重要意义.为获得液滴在非等温粗糙表面的撞击特性,研究了硅油在金属表面撞击、铺展和回缩的动力学行为,并着重分析了硅油黏度、撞击速度、油滴初始直径、金属表面粗糙度及温度对硅油撞击特性的影响.结果表明,在等温表面,液滴最大铺展直径与撞击速度、基体表面温度及液滴初始直径正相关,与基体表面粗糙度、硅油黏度负相关;当表面粗糙度介于6.3～25μm时,其对液滴最大铺展直径影响较小;在非等温表面,液滴回缩过程中少量液体残留并形成尾迹,且残留尾迹随基体温度升高而愈发明显;随后数值模拟了硅油在非等温粗糙表面的碰撞过程,并揭示了基体温度和表面粗糙度的影响机制.本文中研究成果为理解非等温粗糙金属表面液滴的撞击行为提供了丰富的理论和试验依据.     

剪切变稀流体液滴撞击疏水表面回弹现象及最大铺展的研究

非牛顿流体液滴撞击固体表面的行为广泛存在于多种工农业生产中, 然而目前相关研究主要关注牛顿流体, 非牛顿流变特性对液滴撞击动力学的影响机制还有待探索. 本文研究了纯剪切变稀流体(质量分数≤ 0.03%的黄原胶水溶液)液滴撞击疏水表面后的最大铺展及回弹行为. 通过高速摄像技术捕获液滴撞击疏水表面的运动过程及形态变化, 研究了液滴的铺展回缩过程. 实验结果表明, 在相同We下, 剪切变稀特性对液滴撞击疏水表面后的铺展阶段影响很小, 但对回缩阶段影响很大. 黄原胶浓度增加使得液滴依次表现出部分回弹、完全回弹和表面沉积三种不同的回弹行为. 利用能量守恒定律推导出了液滴能在疏水表面上回弹的临界无量纲高度ξ_c理论值. 发现牛顿流体与非牛顿流体液滴最大无量纲高度ξ_max均符合标度律ξ_max ~ αWe斜率随黄原胶浓度增大而减小. 基于有效雷诺数Re_eff, 提出了一种有效黏度μ_eff表达式, 并据此建立了剪切变稀流体的最大无量纲直径β_max预测模型. 该模型在较广We区间与实验测量值取得了良好一致.      

纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究

纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.      

纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究

纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.     

不同壁面条件下液滴撞击铺展特性的模拟研究

液滴撞击不同润湿性壁面的传热流动问题在自然界和工业生产中广泛存在。研究采用CLSVOF方法,引入描述壁面润湿特性的动态接触角,并考虑液滴物性参数随温度的变化,建立液滴撞壁模型,模拟研究液滴撞击流动行为,通过与实验对比验证,确定模型有效性。在此基础上,对传热作用下考虑壁面润湿性的液滴撞击问题展开研究,探讨壁面传热作用对液滴撞击铺展特性的影响。研究表明,在撞击过程中,液滴先铺展后逐渐收缩,与静态接触角模型相比,采用动态接触角模型所得的液滴流动特性与实验结果更加吻合;随着接触角增大,液滴在撞壁初期不易铺展,随后则易于收缩;虽然固液传热作用会影响液滴铺展直径,但不改变液滴的运动趋势。     

液滴撞击具有浸润性分布的倾斜固壁铺展行为的格子Boltzmann研究

采用基于单组分多相伪势模型的格子Boltzmann方法,模拟了三维液滴撞击左右两侧浸润性不同的倾斜固壁的铺展过程,获得了液滴在壁面两侧的铺展因子、相对铺展宽度、相对高度和液滴运动速度随时间的变化情况,研究了壁面浸润性分布和壁面倾斜角度对液滴铺展过程的影响．结果表明,液滴在倾斜壁面的铺展过程受到重力和表面力的综合作用,重力影响液滴的铺展和沿壁面向下的滑动,壁面浸润性分布影响液滴向壁面亲水侧横向移动．     

基于SPH方法的湿润性固壁边界条件模拟研究

固体壁面由于表面特殊结构和材料属性,时常表现出对交界面上水体的吸附作用,而这一特征对微小水体作用尤为明显。本文提出了一种湿润性固壁边界条件的计算方法,即假设壁面粒子的亲水性以及毛细吸附作用统一表现为对支持域内流体粒子的吸附力。基于光滑粒子流体动力学（SPH）方法,模拟了静态液滴在不同湿润性壁面上的变形至稳定过程。模拟了液滴撞击疏水壁面的过程,将液滴的运动过程分为碰撞、铺展、回缩和回弹四个阶段,分析各阶段壁面受力分布情况。研究表明：根据模拟液滴静态接触角的变化特点,本文湿润性固壁边界条件可以较好的反映出壁面湿润性;液滴撞击输水表面的模拟数据与试验结果趋势上吻合良好;壁面压力波伴随着液滴的铺展和回缩传播并衰减;只有在回弹后期液滴即将脱离壁面时壁面拉力起主导作用,其余各时刻壁面均以压力为主。     

基于LS-DYNA的热成型钢断裂失效预测研究

固体壁面由于表面特殊结构和材料属性,时常表现出对交界面上水体的吸附作用,而这一特征对微小水体作用尤为明显。本文提出了一种湿润性固壁边界条件的计算方法,即假设壁面粒子的亲水性以及毛细吸附作用统一表现为对支持域内流体粒子的吸附力。基于光滑粒子流体动力学（SPH）方法,模拟了静态液滴在不同湿润性壁面上的变形至稳定过程。模拟了液滴撞击疏水壁面的过程,将液滴的运动过程分为碰撞、铺展、回缩和回弹四个阶段,分析各阶段壁面受力分布情况。研究表明：根据模拟液滴静态接触角的变化特点,本文湿润性固壁边界条件可以较好的反映出壁面湿润性;液滴撞击输水表面的模拟数据与试验结果趋势上吻合良好;壁面压力波伴随着液滴的铺展和回缩传播并衰减;只有在回弹后期液滴即将脱离壁面时壁面拉力起主导作用,其余各时刻壁面均以压力为主。     

液滴撞击超疏水壁面反弹及破碎行为研究

液滴撞击壁面时,壁面亲水性对液滴撞击壁面后的变化历程具有重要的影响。利用相界面追踪的复合Level Set-VOF方法对液滴撞击超疏水壁面的运动进行了研究。研究结果表明,撞击速度较小时,液滴撞壁后发生反弹;撞击速度较大时,液滴撞壁后会发生破碎现象;初始粒径的增大和表面张力的减小,有利于液滴撞壁后产生铺展破碎现象;撞击角度对撞壁后的液滴行为具有较大的影响。通过数值模拟,给出了一定条件下液滴垂直及倾斜撞击超疏水壁面反弹及破碎的临界条件。     

Numerical study on dynamic characteristics of double droplets impacting a super-hydrophobic tube with different impact velocities

ABSTRACT

The coupled level set and volume of fluid method is applied to the numerical study on the successive impact of double droplets on a super-hydrophobic tube. The impact velocity varies from 0.25 to 2?m/s. These impact processes present spread, retract, rebound, breakup and splash. The out-of-phase impact takes place with the impact velocity from 0.25 to 1.25?m/s, while the in-phase impact takes place with the impact velocity from 1.44 to 2?m/s. With the impact velocity larger than 1.25?m/s, the liquid crown presents and deforms after the trailing droplet impact, then it would gather at the film edge, rebound or break up. When impact velocities range from 1.44 to 1.5?m/s, the finger liquid film presents before the liquid crown appearing. The finger head breaks with the impact velocity of 1.5?m/s during the leading droplet spreading. The zigzag liquid film becomes more obvious for larger velocities.     

Numerical study of particle motion near a charged collector

The behavior of particles impacting the surface of a charged droplet involves adhesion, rebound, and submersion. In the present study, a numerical model for simulating particle impacts on charged droplets is presented that takes into account the various impact modes. With the droplet considered as a solid boundary, the criterion for rebounding is that the particle’s impact angle is <85°. The simulated trajectories of the particles are verified by comparing with experimental data for low-velocity particles to assess the reliability of the model. For impact angles >85°, particles undergo three distinct modes depending on normal impact velocities. The critical velocity of adhesion/rebound and rebound/submersion is used to identify the mode that the particles are undergoing. The criteria are also verified by comparing with analytical data. The results show that the impact angle of particles increases with increasing Coulomb number and decreases dramatically with increasing Stokes number, both of which lead to a high probability for particle rebound.     

Maximum spreading of electrically charged droplets impacting on dielectric substrates

In this work, the electric charging effect on the spreading of droplet impacting on dielectric substrates has been investigated. The charged water droplets were directed on the paraffin wax and the Teflon-coated plates. The impinging behavior was visualized and recorded using a CCD camera to identify the maximum extent of the flattened droplets. Droplet diameter and velocity approaching the wall were measured as well. The diameter of the electrically charged droplet at the maximum spread turned out to be larger compared to that of neutral droplet (at the maximum spread), and the difference becomes larger with increasing of the electric charge ratio (defined as the ratio of the actual electric charge to the Rayleigh limit). This phenomenon is considered to be due to reduction of effective interfacial tensions between the liquid and the gas and between the liquid and the solid by electric charging. Finally, an improved model was proposed to predict the maximum spreading ratio for electrically charged droplets by introducing correlations on the liquid–gas and the liquid–solid interfacial tensions.     

Particle velocimetry inside Newtonian and non-Newtonian droplets impacting a hydrophobic surface

A particle velocimetry technique is described which enables the measurement of the fluid velocity inside impacting drops. Using high speed photography of 2 μm fluorescent tracer particles suspended in the fluid, the velocity field was measured as a function of time and radial position. The potential of the technique is illustrated using velocimetry measurements of drops of pure water and aqueous solutions of 200 ppm poly-(ethylene oxide) (PEO). Dilute solutions of PEO have been known for some time to suppress the rebound of water from hydrophobic surfaces. The dissipation has traditionally been attributed to an increased extensional viscosity as the polymers stretch in the extensional flow of the droplet. Our results enable us to infer that the extensional viscosity of PEO drops, during both the spreading and retraction phase, is similar to that of pure water. The data suggest that the true source of dissipation lies at the droplet edge. We also show, by analysing the spreading of water drops, that the Roisman-Yarin theory for a droplet spreading on a surface is valid in the bulk of the droplet prior to the final stages of spreading.     

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点. 本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型. 根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解. 结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况. 结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.      

MOVEMENT AND SPLASHING OF A DROPLET IMPACTING ON A WET WALL

壁面液体层的存在对液滴撞击壁面的运动具有重要的影响。采用气液两相流动相界面追踪的水平集和流体体积复合方法和壁面润湿模型，实现了液滴撞击湿润壁面运动的数值求解；在此基础上，开展了液滴撞击湿润壁面运动的研究。研究结果表明：液滴以不同速度撞击湿润壁面时，会呈现出黏附铺展、波动运动、皇冠几何体运动以及飞溅运动等几种不同的运动形态，液滴撞击湿润壁面后的压力分布是不同运动形态形成的主要原因；飞溅运动是一定条件下皇冠几何体运动的一种特殊形态，液滴从皇冠几何体侧壁顶端的飞溅分离满足毛细破碎理论；撞击速度对分离液滴的运动方向影响较小，而对壁面液体层厚度的影响则较大；撞击速度和壁面液体层厚度对分离液滴形态、飞溅分离位置、飞溅速度以及飞溅发生时刻等都具有一定的影响。     

椭球液滴撞击超疏水表面反弹过程数值分析

液滴在自由落体或受外力作用时常发生椭球形变,对其撞击超疏水壁面的运动形态及形成二次液滴有较大影响.本文假定具有不同轴向半径比值(AR)的椭球形液滴,采用耦合水平集-体积分数(CLSVOF)方法对椭球形液滴撞击超疏水平壁面进行数值模拟研究,对椭球形液滴撞击超疏水平壁面反弹过程运动形态和AR对二次液滴形成的影响进行分析.研究表明,不同AR液滴撞击超疏水壁面后反弹过程具有一定相似性,同时存在明显差异.液滴反弹过程中会拉伸形成长液柱,其未扰动界面直径随AR的增大而减小.在Plateau-Rayleigh不稳定性影响下,长液柱会发生破碎形成二次液滴,但较低的AR对二次液滴的形成有较明显的抑制作用,当AR小于临界值0.6时,反弹过程中液滴内部压力均匀稳定,最终不产生二次液滴.