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.     

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.     

强磁场影响下镓液滴撞击固壁的实验研究

在材料的电磁冶金过程及磁约束核聚变装置中, 金属液滴在磁场和壁面温度影响下的撞击过程表现出复杂的动力学特性. 本文对水平磁场作用下液态镓(Ga)液滴撞击等温和过冷壁面的铺展和回弹特性进行了实验研究. 采用高速相机拍摄液滴撞击过程中轮廓的变化, 通过图像处理获得不同磁场强度、不同撞击速度和不同底板温度下的最大铺展因子、回弹过程中的最大高度以及产生的二次液滴的半径和速度. 碰撞速度由0.45 ~ 1.8 m/s, 磁场强度从0 ~ 1.6 T, 底板温度为30 °C, ?20 °C和?10 °C. 基于实验结果分析了磁场和壁面温度对液滴铺展和回弹的影响规律. 实验结果表明, 液滴撞击等温壁面和过冷壁面的最大铺展因子随We的变化均与理论预测关系式一致. 液滴撞击等温壁面的情况下, 不同的We下, 出现不同的回弹现象. 磁场抑制了平行于磁场方向的液滴铺展和回弹过程中二次液滴的产生, 而对回弹过程中的液滴在平行磁场方向上有拉伸作用. 液滴撞击过冷壁面时, 在一定的We值范围内, 同样会出现二次液滴分离现象, 此时产生的二次液滴的速度较小. 磁场的增强和We的增大都会导致液滴在高度方向的振荡减弱, 加速凝固过程.      

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.     

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。     

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.     

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.     

用格子Boltzmann方法模拟液滴撞击固壁动力学行为

首次用格子Boltzmann方法中的伪势模型对液滴撞击固壁的动力学行为进行了数值模拟.详细研究了液滴在壁面上的流动状态以及各种因素对撞击过程的影响.通过数值模拟得到:壁面的可润湿性越小,液滴越容易发生反弹,液滴的回缩速度越快;液滴的撞击速度越大,所得到的相对直径越大,回缩速度越快;液滴的粘性越小,所得到的相对直径越大;液滴的表面张力越大,液滴越容易发生反弹现象.另外,液滴的最大相对直径与We数满足一定的线性关系,这些结果与前人的理论预测和实验结果完全吻合.     

Laminar,transitional and turbulent annular flow of drag-reducing polymer solutions

Mean and rms axial velocity-profile data obtained using laser Doppler anemometry are presented together with pressure-drop data for the flow through a concentric annulus (radius ratio κ = 0.506) of a Newtonian (a glycerine–water mixture) and non-Newtonian fluids—a semi-rigid shear-thinning polymer (a xanthan gum) and a polymer known to exhibit a yield stress (carbopol). A wider range of Reynolds numbers for the transitional flow regime is observed for the more shear-thinning fluids. In marked contrast to the Newtonian fluid, the higher shear stress on the inner wall compared to the outer wall does not lead to earlier transition for the non-Newtonian fluids where more turbulent activity is observed in the outer wall region. The mean axial velocity profiles show a slight shift (～5%) of the location of the maximum velocity towards the outer pipe wall within the transitional regime only for the Newtonian fluid.     

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.     

Turbulent characteristics of shear-thinning fluids in recirculating flows

 A miniaturised fibre optic Laser-Doppler anemometer was used to carry out a detailed hydrodynamic investigation of the flow downstream of a sudden expansion with 0.1–0.2% by weight shear-thinning aqueous solutions of xanthan gum. Upstream of the sudden expansion the pipe flow was fully-developed and the xanthan gum solutions exhibited drag reduction with corresponding lower radial and tangential normal Reynolds stresses, but higher axial Reynolds stress near the wall and a flatter axial mean velocity profile in comparison with Newtonian flow. The recirculation bubble length was reduced by more than 20% relative to the high Reynolds number Newtonian flow, and this was attributed to the occurrence further upstream of high turbulence for the non-Newtonian solutions, because of advection of turbulence and earlier high turbulence production in the shear layer. Comparisons with the measurements of Escudier and Smith (1999) with similar fluids emphasized the dominating role of inlet turbulence. The present downstream turbulence field was less anisotropic, and had lower maximum axial Reynolds stresses (by 16%) but higher radial turbulence (20%) than theirs. They reported considerably longer recirculating bubble lengths than we do for similar non-Newtonian fluids and Reynolds numbers. Received: 23 February 1999/Accepted: 28 April 1999     

Grazing impact of continuous droplet streams with a superhydrophobic surface

When high-velocity droplets make grazing impact with a superhydrophobic surface, the droplets undergo significant deformation before recoiling and rebounding from the surface. Two distinct operating regimes describe the response of the reflected droplet stream after impact. In the first regime, the droplets remain discrete and uniform after the impact, but exhibit rotation and significant oscillations. This regime dominates if each droplet can clear the impact region before the next droplet arrives. In the second regime, droplets cannot avoid coalescing into a puddle at the surface. A secondary jet is ejected from the puddle which breaks up into a random droplet stream after traveling a short distance due to the lack of a forced unstable perturbation. The droplet-to-droplet spacing in the incoming stream determines which regime rules, with the critical value correlated by a Weber number. In the first regime, a detailed accounting of the kinetic and potential energies reveals that neither droplet oscillation nor rotation can fully account for the loss of translational kinetic energy, indicating significant internal circulation must occur in the droplets at impact. An application of droplet rebound from a superhydrophobic surface is proposed.