液滴撞击固体表面时的流体动力特性实验研究

采用高速摄影机及胶片图像分析，系统研究了水滴撞击光滑固体平表面及锯齿状固体表面时的流体动力特性，试验结果表明，水滴撞击平表面时的流体动力过程可分为相互力学作用及压缩波传播和流体散流和破裂两个阶段；水滴撞击锯齿状表面时与撞击平表面时的流体动力现象有较大差别。     

高速液—固碰撞时固体弹性和液体可压缩性对撞击压力的影响

本文联立求解可压缩平面液体撞击弹性固体表面时液体激波面及液固相界面上的物理过程控制方程组,导出了激波速度、撞击压力和固体表面变形速度的计算公式.导出的公式中包括了表征液体可压缩性的撞击马赫数M_0和表征固体弹性的液固声阻抗比Γ.通过计算液体撞击PMMA,钙钠玻璃、ZnSe和1Cr13时的撞击压力,本文具体分析了M_0和Γ对撞击压力产生的综合影响。     

三维圆柱水滴撞击特性分析

发展了三维欧拉法水滴撞击程序,通过分析其中扩散系数值对结果的影响得出:扩散系数取值为0.001时本文计算结果与文献结果和实验值最接近。通过文献中2个算例进行了验证:三维圆柱算例中本文计算结果与文献中最大水滴收集系数相差3%,撞击极限相差7%;三维圆球算例中最大水滴收集系数相差1%,撞击极限相差6.5%。这表明此方法与文献中结果和实验结果吻合良好。利用欧拉法对三维圆柱的水滴撞击特性进行了数值模拟,分析了圆柱直径、来流速度、水滴直径对三维圆柱水滴撞击的影响。结果表明:相同条件下撞击极限随着圆柱直径增大而增大,最大水滴收集系数随着圆柱直径的增大而减小;撞击极限和最大水滴收集系数随着来流速度的增大而增大;来流速度越大,最大水滴收集系数增加幅度减小;撞击极限和最大水滴收集系数随着水滴直径的增大而增大;水滴直径越大,最大水滴收集系数增加幅度减小。     

数值模拟过冷水滴撞击翼型表面的收集特性

为了研究过冷水滴撞击翼型表面的收集特性,本文采用欧拉两相流法建立了气流控制方程和水滴运动控制方程,并采用有限体积法对方程进行了求解。为了使水滴体积分数在数值迭代过程中保持为正值,本文在水滴控制方程中引入了一个变量A,使得迭代过程更加平稳。求解水滴控制方程,并得到了翼型表面的水滴收集特性。对过冷水滴撞击翼型表面的收集特性进行了研究,在平均水滴直径不同的情况下,将单尺寸分布与多尺寸分布情况下的局部收集系数进行了对比;发现:局部收集系数在驻点附近比较一致,随着离驻点的距离越来越大,局部收集系数产生偏差;多尺寸分布的水滴撞击极限远大于单尺寸下的计算值。同时本文还讨论了过冷水滴的大小对局部水收集系数和撞击极限的影响,发现平均水滴直径越大,局部水滴收集系数和撞击区域越大。     

过冷水滴撞击螺旋桨桨叶表面的数值模拟

本文介绍了某型螺旋桨在不同飞行状态下.求解桨叶水滴撞击特性的数值方法.该方法对桨叶运动模型进行简化,并在对绕桨叶运动的气流场计算的基础上,采用拉格朗日方法求解气流场中水滴运动方程,得到水滴运动轨迹.进而,确定了水滴对桨叶的撞击特性参数,为桨叶防冰系统设计提供条件.主要结论如下:(1)在巡航状态下,桨叶沿展向方向上总收集系数Em和局部收集系数β不断增大;(2)在爬升状态下,随着爬升高度H不断增大,飞行速度V0不断增大,水滴撞击在桨叶表面的范围有所增加,而且β随之增大;(3)随着水滴平均有效直径(MVD)的增大,水滴撞击在桨叶表面的范围明显增加同时,β在桨叶表面同一位置的值也随之增大.     

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.     

液滴冲击侵蚀问题的力学理论研究

本文分析了液滴冲击固体表面的流体动力学过程，建立了适用于高速撞击条件的非线性激波理论模型。模型可以计算所有撞击参数，并能够考虑固体的可压缩性。模型采用无量纲形式，为工程计算提供了简明的方法，具有很大的通用性和实用价值。     

水滴撞击黄铜基超疏水表面的破碎行为研究

采用高速摄像技术,在自制的超疏水黄铜表面上开展水滴撞击后破碎行为的实验,并对水滴破碎现象力学机理、发生破碎现象的条件和破碎过程中直径铺展规律进行了分析.测试结果表明:一定速度下不同直径的水滴均会发生破碎,直径越大的水滴破碎速度越低.从能量守恒角度,对上述现象过程进行了定性的力学解释并推导出水滴在超疏水表面上发生破碎现象的临界速度的计算公式,该公式预测值与实验值的偏差小于10%.     

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.      

CHARACTERISTIC OF DROPLET OSCILLATION ON THE SURFACE OF RECTANGULAR HYDROPHOBIC GROOVES

液滴振荡行为是液滴运动中的重要伴随现象,具有重要科研价值.由于液滴撞击疏水沟槽板时运动行为与光滑表面明显不同,可以推测疏水沟槽表面液滴振荡特性也将会呈现与众不同的行为特点.采用高速摄像技术,研究了矩形疏水沟槽表面上水滴高度和接触线振荡行为随沟槽尺寸和撞击速度的变化规律.结果发现,矩形疏水沟槽造成的各向润湿异性使得振荡过程中水滴在平行沟槽方向上的接触线长度大于垂直方向,但并不影响水滴高度方向上衰减振荡的周期,即水滴振荡周期与沟槽间距无关;同时由于疏水沟槽表面上存在能垒束缚效应,致使水滴振荡过程中接触线的铺展和回缩运动不服从典型阻尼振荡规律,而呈现振荡数次后直接趋稳的特点.如水滴以0.61 m/s撞击时,接触线经历2次振荡后即维持稳定,但此时水滴仍在持续振荡中.另外,还初步分析了水滴振荡周期与沟槽间距无关的原因.     

矩形疏水沟槽表面水滴振荡特性

液滴振荡行为是液滴运动中的重要伴随现象,具有重要科研价值.由于液滴撞击疏水沟槽板时运动行为与光滑表面明显不同,可以推测疏水沟槽表面液滴振荡特性也将会呈现与众不同的行为特点.采用高速摄像技术,研究了矩形疏水沟槽表面上水滴高度和接触线振荡行为随沟槽尺寸和撞击速度的变化规律.结果发现,矩形疏水沟槽造成的各向润湿异性使得振荡过程中水滴在平行沟槽方向上的接触线长度大于垂直方向,但并不影响水滴高度方向上衰减振荡的周期,即水滴振荡周期与沟槽间距无关;同时由于疏水沟槽表面上存在能垒束缚效应,致使水滴振荡过程中接触线的铺展和回缩运动不服从典型阻尼振荡规律,而呈现振荡数次后直接趋稳的特点.如水滴以0.61 m/s撞击时,接触线经历2次振荡后即维持稳定,但此时水滴仍在持续振荡中.另外,还初步分析了水滴振荡周期与沟槽间距无关的原因.     

液滴与可变形固面撞击的二维非线性激波模型

在传统的关于液固撞击的激波理论模型中，引入矢量分析的方法，考虑到高速度撞击时，液体运动的迁移性和非线性效应，以及固体的可变形性，提出了一个适用于高撞击马赫数的无量纲激波理论模型。该模型能够计算出所有撞击参数，计算结果与实验数据吻合良好。模型所导出的计算方法物理意义明确，简明准确，适用范围宽广，且便于工程上制成图表查用。     

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.      

介观双粗糙弹塑性流体动力润滑界面法向接触刚度模型

弹性流体动力润滑状态通常出现在机械高副零部件的点/线接触部位,如齿轮、轴承和蜗轮蜗杆等. 宏观上点/线接触在介观层面表现为两粗糙表面的接触,在微观层面上则又表现为微凸体间的接触. 由于在中/重载荷作用下,粗糙表面上的微凸体发生接触后会产生弹塑性/塑性变形,从而使得两粗糙表面的弹流润滑接触转变为弹塑性流体动力润滑接触. 此外,界面的接触刚度决定了机械装备的整机刚度. 为了精确获得弹性流体动力润滑状态下界面法向接触刚度及其主要影响因素,基于界面的法向接触刚度由固体接触刚度和润滑油膜刚度两部分构成的思想,根据固体弹塑性理论和流体动力学理论,分别对界面间微凸体侧接触及部分膜流体动力润滑进行分析,从微观入手揭示双粗糙表面弹塑性流体动力润滑接触机理,进而建立考虑微凸体侧接触弹塑性变形的流体动力润滑界面法向接触刚度模型. 通过仿真分析,揭示了法向载荷、卷吸速度、表面粗糙度及润滑介质特性等因素对润滑界面法向接触刚度的影响规律. 研究表明:在相同速度、粗糙度及润滑油黏度的工况下,固体接触刚度和油膜接触刚度均随着法向接触载荷的增加呈非线性增大;在相同载荷、速度及润滑油黏度的工况下,接触表面粗糙度越大,表面形貌对于润滑状态的影响较强,固体接触刚度占界面总刚度的主要部分,界面主要由固体承载;在相同载荷、粗糙度及润滑油黏度工况下,随着卷吸速度的增大,固体接触刚度逐渐减小,油膜刚度占界面总刚度的主要部分;在相同载荷、粗糙度及速度工况下,随着润滑油黏度的增大,油膜刚度基本保持不变,固体接触刚度基本不受润滑油黏度的影响. 通过理论建模准确获得单位面积弹塑性流体动力润滑结合面法向接触刚度,对改善机械装备动态性能、提高机械装备的可靠性具有重要的理论和实际意义.      

不同厚度及冲击角度对复合材料平板抗冲击能力的影响

为了考核叶片飞脱碎片撞击机匣的抗包容能力，采取钛合金方块作为弹体撞击复合材料平板机匣进行等效模拟。通过获取弹体不同冲击角度撞击不同厚度平板时的抗冲击临界速度，得到复合材料机匣在不同工况下的抗冲击能力极限。基于试验所获得的物理参数，进一步分析了抗冲击临界速度、应变响应、位移响应等关键物理量随平板厚度及撞击角度变化的规律。结果表明，复材平板抗冲击能力对厚度较为敏感，但呈非线性变化趋势；复材表面压应力会抑制表面裂纹的扩展，且厚度越大，这种效应越明显；机织复合材料结构抗冲击能力和裂纹扩展速度与其内部经纬纱编织角度有密切关系，且呈非单调关系。本文提出的等效考核机匣结构抗包容能力的试验方法和获得的试验数据可为真实机匣包容性试验的顺利完成提供支撑，降低适航试验取证的风险。     

刚体撞块撞击弹性长杆的二次撞击分析

本文采用应力波特征线方法详细分析了刚体撞击固支的弹性长杆的撞击过程，指出当撞块质量和长杆质量的比值满足一定条件时，在第一次撞击过程结束后会发生第二次撞击。     

单层5A06铝合金板高速撞击实验研究

采用非火药驱动二级轻气炮发射球形弹丸,对单层5A06铝合金板进行高速撞击实验研究,从而模拟空间碎片对航天器防护结构的高速撞击作用。实验得到了该铝合金板在不同的速度区间的损伤模式。结果表明,弹丸撞击速度一定时,弹坑深度和弹坑直径均与弹丸直径呈线性关系。当撞击速度在4km/s至5km/s时,靶板上的弹坑深度和弹坑直径随撞击速度的增大而减小,在其它速度范围内,弹坑深度和弹坑直径随撞击速度的增大而增大。通过固定弹丸直径,变化撞击速度,寻找临界撞击速度的方法获得了该铝合金板在弹丸撞击速度为1.0km/s至4.2km/s时的撞击极限曲线,并将实验弹坑深度与由Cour-Palais方程得到的预测弹坑深度进行了比较,实验弹坑深度大于预测值。     

铝合金Whipple防护结构高速撞击实验研究

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的损伤破坏模式及其防护性能，采用二级轻气炮发射球形弹丸，对铝合金Whipple防护结构进行高速撞击实验研究。根据实验结果分析了铝合金Whipple防护结构的防护屏和舱壁在不同速度区间的损伤模式特征，以及薄铝板防护屏高速撞击穿孔和舱壁弹坑分布随弹丸直径、弹丸撞击速度变化的规律。通过固定弹丸直径，改变弹丸撞击速度，寻找临界撞击速度的方法获得了铝合金Whipple防护结构在0.5~5.5 km/s撞击速度区间内的撞击极限曲线，并与由Christiansen撞击极限方程得到的撞击极限曲线进行了比较，结果表明，实验最小临界弹丸直径略大于预测值。     

燃烧向爆炸转变(DDT)抑制剂对于塑料粘结黑索今撞击感度的影响

塑料粘结炸药（PBX）的机械撞击感度远低于单纯炸药,这因为塑料包覆层改进了炸药晶体表面性质。本工作研究了含有燃烧向爆炸转变（DDT）抑制剂-三苯甲醇（TPC）对于黑索今（RDX）的机械感度影响,发现含TPC的RDX撞击感度低于不含TPC的。塑料粘结剂改进,并降低在撞击时热点产生的概率（P4）,而TPC则降低热点传播的概率（P2）。可以预期含有TPC类型化合物的PBX机械感度可能会大幅度地降低。     

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。