滴状模式下液桥形成及断裂的电流体动力学特性研究

对电场作用下微通道荷电液滴脱落过程中液桥形成及断裂的显微演变特征进行了可视化实验研究.借助时空分辨率较高的高速摄像技术精确捕捉了电场作用下液桥形成及断裂的界面演化过程,研究了液桥的界面结构变化及其断裂的动力学显微演变行为,获得了时间特征数、电邦德数及半月面形成角对液桥长度及断裂顺序的作用规律.实验结果显示,液桥断裂长度取决于黏度与表面张力之比,而受荷电弛豫时间的影响甚微,低电压工况下各实验介质液桥相对长度的变化并不明显,而在较高电压工况下相对液桥长度的增长速度加快.随着电邦德数的不断增加,液桥长度的变化在较高邦德数下更为明显且存在突变区,此时伴随着雾化模式的转变,表明液桥的突变恰恰是雾化模式过渡的信号.不同物性介质的射流过渡行为由于液桥上下游形成角的变化而存在较大差异.对于无水乙醇介质,电邦德数的增加使滴状模式首先过渡到纺锤模式,而对于生物柴油,滴状模式后会首先出现脉动模式而非纺锤模式.     

静电雾化锥射流模式下液锥形态的研究

本文分析了静电雾化锥射流模式下液锥表面静电应力、表面张力应力分布特性,基于应力平衡建立了液锥力学模型,并对流量、荷电电压及针形喷嘴的内半径等参数对液锥结构形态的影响进行了预测。首先设计了针形喷嘴静电雾化实验装置,应用高速摄影技术观测了静电雾化的典型雾化模式和液锥形态演化特性。实验结果表明:锥射流雾化模式仅在一定的荷电电压范围内才会出现;针形喷嘴的流量增加,液锥锥角减小,液锥长度增长;随着荷电电压或针形喷嘴内半径的增加,液锥锥角增大,液锥长度缩短。实验结果与液锥力学模型的预测结果一致。     

电场作用下气泡上升行为特性的数值计算研究

利用电场控制气泡形态及运动,强化气液相间传热传质是电流体动力学的重要研究内容之一.然而目前多数研究集中在非电场下的气泡动力学上,对于电场下的气泡行为特性及电场的作用机制仍需开展深入研究.本研究对电场作用下单个气泡在流体中上升过程的动力学行为进行了数值模拟研究.在建立二维模型的基础上求解电场方程与Navier-Stokes方程,并采用水平集方法捕捉了上升气泡的位置及形状.模拟结果的准确性与有效性通过与前人实验和数值结果进行对比得到了验证.通过改变雷诺数、邦德数和电邦德数等不同参数研究了电场下液体黏度、表面张力和电场力对气泡运动变形的影响.计算结果表明,电场对气泡的动态特性有显著影响.非电场情况下液体黏度和表面张力较大时气泡基本维持球状,反之气泡发生变形并逐步达到稳定状态.此外,电场作用使气泡在初始上升阶段发生剧烈形变,随着不断上升,气泡形变程度不断减小,且气泡的上升速度和长径比均出现振荡.垂直电场使气泡的上升速度有较大的提高,且随着电邦德数的增大,难以达到相对稳定的状态.     

电场作用下气泡上升行为特性的数值计算研究

利用电场控制气泡形态及运动,强化气液相间传热传质是电流体动力学的重要研究内容之一. 然而目前多数研究集中在非电场下的气泡动力学上,对于电场下的气泡行为特性及电场的作用机制仍需开展深入研究. 本研究对电场作用下单个气泡在流体中上升过程的动力学行为进行了数值模拟研究. 在建立二维模型的基础上求解电场方程与Navier-Stokes方程,并采用水平集方法捕捉了上升气泡的位置及形状. 模拟结果的准确性与有效性通过与前人实验和数值结果进行对比得到了验证. 通过改变雷诺数、邦德数和电邦德数等不同参数研究了电场下液体黏度、表面张力和电场力对气泡运动变形的影响. 计算结果表明,电场对气泡的动态特性有显著影响. 非电场情况下液体黏度和表面张力较大时气泡基本维持球状,反之气泡发生变形并逐步达到稳定状态. 此外,电场作用使气泡在初始上升阶段发生剧烈形变,随着不断上升,气泡形变程度不断减小,且气泡的上升速度和长径比均出现振荡. 垂直电场使气泡的上升速度有较大的提高,且随着电邦德数的增大,难以达到相对稳定的状态.      

荷电植物润滑油的摩擦学性能研究

采用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠对LB-2000植物润滑油进行改性,获得了适用于静电喷雾润滑的植物润滑油.用傅立叶变换红外光谱仪表征了荷电前后润滑油的分子结构,分析了其荷电及理化性能.在四球摩擦磨损试验机上考察了静电喷雾润滑条件下润滑油的摩擦学性能,用光学显微镜和X射线光电子能谱仪对钢球磨斑表面和下试盘进行了表征.结果表明:荷电后润滑油分子极性增大,黏度、接触角、表面张力减小,电晕电场产生活性粒子O3、O加速新生表面氧化;在摩擦界面,吸附膜和金属氧化膜共同作用,促进润滑膜的形成,使荷电植物润滑油具有良好的减摩抗磨性能.     

阿姆斯特朗电解液液桥的实验现象及断裂机理研究

阿姆斯特朗液桥是电流体力学领域中的一种有趣现象,它悬在空中抵抗重力流动的神奇状态引起了人们的广泛关注．近十几年来,去离子水液桥已经通过理论和实验得到深入研究,但是对于电解液液桥的研究依然十分有限．本文以Na2SO4电解液作为形成液桥的实验液体,利用高速摄相机和红外热像仪研究了电解液液桥的形成过程、焦耳效应、流动中的热气泡产生及其破碎导致的液桥断裂等现象,提出了不同于去离子水液桥的断裂机理,有助于进一步加深人们对液桥这一复杂现象的理解．     

重力影响下板间液桥断裂距离研究

运用实验测量和数值模拟两种方法对两平板间特征尺度为毫米量级的液桥断裂距离进行了研究,定量地给出了在有重力和无重力两种条件下,液桥断裂距离随着液桥体积和固体表面润湿性质变化的规律。结果显示,重力对液桥断裂距离的影响随着液桥特征尺寸的增大而增大,当特征尺寸达到毛细长度时,重力对亲水表面间液桥断裂距离的影响可达11%以上,对于疏水表面间的断裂距离影响更增加到20%以上。通过Surface Evolver软件可以很好地模拟准静态液桥拉伸-断裂过程,得到准确的液桥断裂距离。结果表明,即使在液桥特征尺寸小于毛细长度的条件下,液桥断裂距离也不能完全忽略重力的影响。     

石油基电流变液中链结构的显微观察

利用显微观察技术连续记录了直流与交流电场下石油基电流变液中的显微结构变化,比较了两种电场下成链、链生长、断链的差异,这种差异包括颗粒的运动、链的形状以及断链时有无崩裂现象,并且分析了造成这种差异的原因,认为交流场下出现的链崩裂现象是由约翰逊-拉贝克效应造成的,通过石油基电流变液在直流、20Hz、50Hz三种电场条件下显微链结构的对比,得出结论横跨两极的链总的横截面积是影响剪应力大小的一个重要因素。     

微重力条件下部分充液贮箱气液界面波动特性的数值模拟

微重力环境中部分充液贮箱内气液界面和气、液两相介质在残余重力或加速度干扰下的运动特征是先进空间流体管理技术的基础. 本文针对空间贮箱常用构型和实际尺寸, 基于邦德数相似准则设计了3个缩比模型, 数值模拟了原型贮箱和缩比模型中加速度变化引起的贮箱内气液两相流动及气液界面上界面波的传播. 数值模拟结果验证了原型和模型间的运动相似性, 发现在满足邦德数相似准则的前提下, 系统还近似满足韦伯数相似准则, 或等价地, 近似满足弗劳德数相似准则. 此外, 数值模拟结果也表明原型和模型间的运动存在细微偏差, 这主要源于黏性耗散作用的差异. 由韦伯数相似准则可知, 缩比加大, 贮箱尺寸减小, 重力突变后由表面张力释放出来的驱动力增强, 相同韦伯数下流动速度增大, 黏性耗散作用随之增强, 本文的数值模拟结果证实了该结论. 相关结果可以用于指导空间贮箱流体管理技术的地面模拟试验的方案设计等.      

压电材料裂纹顶端条状电饱和区 模型的力学分析1)

在线性压电本构方程框架下,对裂纹顶端条状电饱和区模型进行了严格的数学分析.完整地考虑了各向异性力电耦合效应.建立了电饱和区尺寸与外加电场的依赖关系.证实了当裂纹垂直极化轴时,压电材料的断裂应力随着外加正电场的增加而减小,随着外加负电场的增加而增加.当裂纹平行于极化轴时,与极化轴平行的外加电场对断裂应力无影响.     

六方氮化硼韧脆转变性能的理论研究

基于六方氮化硼原子间Tersoff势函数,本文建立了手性依赖的六方氮化硼“杆-簧”模型,得到了其在大变形下的非线性力学行为。结果表明六方氮化硼断裂模式从扶手椅型(Armchair,手性角为0o)到锯齿型(Zigzag,手性角为30o)由韧性断裂转变为脆性断裂。通过分析拉伸过程中键长键角变化情况,键角变化所起作用超过键长变化导致韧性断裂,而键长起主导作用时则为脆性断裂。探讨不同手性氮化硼非线性力学行为,获得两种断裂模式的分界点大约为手性角15o。相同条件下,石墨烯在拉伸过程中键长变化起支配作用,而氮化硼除了键长变化的影响之外,键角的变化对整个过程也有着至关重要的作用。最后,与分子动力学模拟结果对比显示本文的理论结果是可靠的。本研究对理解六方氮化硼优异的力学性能及其在微纳器件领域的应用提供了理论支撑。     

微重力下圆柱形贮箱内液体晃动的分岔现象

为了得到微重力下液体晃动的特性,晃动模态用具有水平静液面的液体晃动模态近似. 液体晃动取前5 个重要模态,用Lagrange 方程推导了横向力作用下液体晃动和航天器结构的无量纲的耦合动力学方程并进行数值模拟. 模拟了液体晃动模态随外力振幅和频率变化产生的分岔现象,并分析了系统参数,如Bond数、接触角、接触角迟滞、充液高度、频率比、质量比以及外力的周期形式和方向等对晃动模态的分岔的影响.     

Buoyancy-driven motion of a two-dimensional bubble or drop through a viscous liquid in the presence of a vertical electric field

The effect of an electric field on the buoyancy-driven motion of a two-dimensional gas bubble rising through a quiescent liquid is studied computationally. The dynamics of the bubble is simulated numerically by tracking the gas–liquid interface when an electrostatic field is generated in the vertical gap of the rectangular enclosure. The two phases of the system are assumed to be perfect dielectrics with constant but different permittivities, and in the absence of impressed charges, there is no free charge in the fluid bulk regions or at the interface. Electric stresses are supported at the bubble interface but absent in the bulk and one of the objectives of our computations is to quantify the effect of these Maxwell stresses on the overall bubble dynamics. The numerical algorithm to solve the free-boundary problem relies on the level-set technique coupled with a finite-volume discretization of the Navier–Stokes equations. The sharp interface is numerically approximated by a finite-thickness transition zone over which the material properties vary smoothly, and surface tension and electric field effects are accounted for by employing a continuous surface force approach. A multi-grid solver is applied to the Poisson equation describing the pressure field and the Laplace equation governing the electric field potential. Computational results are presented that address the combined effects of viscosity, surface tension, and electric fields on the dynamics of the bubble motion as a function of the Reynolds number, gravitational Bond number, electric Bond number, density ratio, and viscosity ratio. It is established through extensive computations that the presence of the electric field can have an important effect on the dynamics. We present results that show a substantial increase in the bubble’s rise velocity in the electrified system as compared with the corresponding non-electrified one. In addition, for the electrified system, the bubble shape deformations and oscillations are smaller, and there is a reduction in the propensity of the bubble to break up through increasingly larger oscillations.     

3-D PTV measurement of Marangoni convection in liquid bridge in space experiment

Microgravity experiments have been conducted on the International Space Station in order to clarify the transition processes of the Marangoni convection in liquid bridges of high Prandtl number fluid. The use of microgravity allows us to generate large liquid bridges, 30?mm in diameter and up to 60?mm in length. Three-dimensional particle tracking velocimetry (3-D PTV) is used to reveal complex flow patterns that appear after the transition of the flow field to oscillatory states. It is found that a standing-wave oscillation having an azimuthal mode number equal to one appears in the long liquid bridges. For the liquid bridge 45?mm in length, the oscillation of the flow field is observed in a meridional plane of the liquid bridge, and the flow field exhibits the presence of multiple vortical structures traveling from the heated disk toward the cooled disk. Such flow behaviors are shown to be associated with the propagation of surface temperature fluctuations visualized with an IR camera. These results indicate that the oscillation of the flow and temperature field is due to the propagation of the hydrothermal waves. Their characteristics are discussed in comparison with some previous results with long liquid bridges. It is shown that the axial wavelength of the hydrothermal wave observed presently is comparable to the length of the liquid bridge and that this result disagrees with the previous linear stability analysis for an infinitely long liquid bridge.     

竖直振动无黏液滴的法拉第不稳定性分析

由于外部周期性的振动而在液滴表面产生的Faraday不稳定效应广泛存在于超声雾化、喷涂加工等应用中,对Faraday不稳定性进行分析对研究振动液滴的表面动力学有着重要意义.本文将Faraday不稳定性问题从径向振动拓展到竖直振动,研究了竖直振动无黏液滴表面波的不稳定性.竖直方向的振动使得液滴动量方程为含有空间相关项和时...     

On the breakup of slender liquid bridges: Experiments and a 1-D numerical analysis

Slender axisymmetric dielectric liquid bridges are made stable by the action of an axial electric field. In this paper, the subsequent dynamics of a slender liquid bridge after turning off the electric field is considered. The evolution in time of the bridge profile is investigated both theoretically and experimentally. A one-dimensional model is used to simulate the dynamic response of the system. Experiments are performed applying an axial electric field to a liquid bridge of 1 mm of diameter, and turning-off the electric field. The evolution of the liquid bridge is recorded using a video camera, and the digitized images are analysed. Good agreement between computations and experiments is found.     

片状颗粒间液桥力变化规律的计算研究

研究颗粒间液桥力有助于揭示非饱和土持水特性的内在机理. 为探究片状颗粒间液桥力演化规律, 从细观尺度研究非饱和土的水力特性机理, 使用Surface Evolver软件在两平行的片状颗粒间构建出三维液桥模型, 分析了液桥拉伸过程中接触角、液桥体积、分离距离以及固液接触线钉扎效应等对液桥力变化规律的影响. 基于圆弧假定, 计算相应条件下液桥力以及接触半径的大小, 并与上述模拟结果进行对比分析. 结果表明: 片状颗粒间液桥力随液桥体积增大而递增, 随分离距离的增大而递减, 随固液接触角的增大先增后减或一直递减; 液桥体积一定时, 在钉扎状态下, 其液桥力随着分离距离的增大迅速递增达到峰值, 而后逐渐降低; Surface Evolver模拟与液桥界面环形近似的计算结果相对比, 当固液接触角较大时(θ = 60°和θ = 80°), 二者相对误差在6%以内, 而当固液接触角减小到30°及以下时, 相对误差随之增大, 且颗粒间分离距离越大, 相对误差越大.      

THE DISSIPATION ENERGY IN TAPPING MODE OF ATOMIC FORCE MICROSCOPE DUE TO LIQUID BRIDGE

轻敲模式下的相位像反映的是探针样品间接触分离过程的能量耗散, 大气环境下的能量耗散主要由液桥引起. 因此为理解成像机理, 本文分析轻敲模式下液桥的形成和破碎的动力学过程, 得到此种模式下的耗散能.     

Transformation of the bridge during drop separation

The geometry of flows during separation of pendant drops of liquids with significantly different physical properties (alcohol, water, glycerin, oil) has been studied by high-speed video recording. The dynamics of the processes involving the formation of bridges of two characteristic shapes—slightly nonuniform in thickness and with thinning of the upper and lower ends—has been investigated. It has been shown that the shape change of the separated bridge has a number of stages determined by the properties of the liquid. As a result, the bridge is transformed into a small drop—a satellite drop.