含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形与破裂

油--气润滑过程中润滑油液滴受高速气流扰动易形成含气泡油滴,微气泡将对油滴撞击壁面时的运动过程以及壁面油膜 层的形成质量产生重要影响. 基于耦合的水平集--体积分数 方法,对含气泡油滴撞击油膜壁面行为进行数值模拟研究, 考察含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形运动过程,探讨气泡破裂的动力学机制,分析气泡大小、碰撞速度和液体黏度等因素对含气 泡油滴撞壁过程中气泡变形特征参数的影响规律. 研究表明:含气泡油滴撞击油膜壁面后气泡会发生变形,并破裂形成膜液滴;气泡随同 液滴运动过程中,气泡内外压力和速度梯度变化是使气泡发生破裂的主要诱因. 气泡大小对气泡破裂方式影响较大,气泡较小时发生单 点破裂,而气泡较大时更容易发生多处破裂. 不同大小气泡受力差异较大,气泡大小与破裂发生时刻没有明显相关性. 碰撞速度和液体 黏度对气泡的变形、破裂和破裂发生时刻都具有一定的影响. 碰撞速度越大,油滴动能越大,更容易产生气泡变形和破裂现象. 液体黏 度增大,在油滴撞壁运动前期促进气泡变形,而在运动后期可以阻延气泡破裂行为发生.      

气泡夹带对壁面油膜流动特性的影响

油-气润滑系统工作过程中,润滑油膜受微油滴冲击和压缩空气扰动影响易形成气泡夹带现象,气泡夹带行为将对壁面润滑油膜层的形成及流动过程产生重要影响。基于VOF数值模拟方法,对含气泡油膜沿倾斜壁面的流动行为进行研究,考察了气泡的存在对油膜形态和流动速度的影响规律,以及气泡破裂阶段空腔邻域内流体压力变化特性。研究表明,油膜夹带气泡的形变和迁移诱发气泡周围微流场的速度扰动现象,导致气液界面处产生非均匀速度梯度分布,进而引发油膜表面的形态波动。气泡发生破裂时,油膜空穴部位发生明显的正负压力波动现象,气泡附近壁面将承受一定的交变载荷作用。     

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。     

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。     

垂直壁面附近上升单气泡的弹跳动力学研究

采用高速摄影技术结合阴影法,对静止水中垂直壁面附近上升单气泡运动进行实验研究,对比气泡尺度及气泡喷嘴与壁面之间的初始无量纲距离(S~*)对气泡上升运动特性的影响,分析气泡与壁面碰撞前后,壁面效应与气泡动力学机制及能量变化规律.结果表明,对于雷诺数Re≈580～1100,无量纲距离S~*2～3时,气泡与壁面碰撞且气泡轨迹由无约束条件下的三维螺旋转变成二维之字形周期运动;当S~* 2～3时,壁面效应减弱,有壁面约束的气泡运动与无约束气泡运动特性趋于一致.气泡与壁面碰撞前后,壁面效应导致横向速度峰值下降为原峰值的70%,垂直速度下降50%;气泡与壁面碰撞前,通过气泡中心与壁面距离(x/R)和修正的斯托克斯数相关式可预测垂直速度的变化规律.上升气泡与壁面碰撞过程中,气泡表面变形能量单向传输给气泡横向动能,使得可变形气泡能够保持相对恒定的弹跳运动.提出了气泡在与壁面反复弹跳时的平均阻力系数的预测模型,能够很好地描述实验数据反映出的对雷诺数Re、韦伯数We和奥特沃斯数Eo等各无量纲参数的标度规律.     

垂直壁面附近上升单气泡的弹跳动力学研究

采用高速摄影技术结合阴影法,对静止水中垂直壁面附近上升单气泡运动进行实验研究,对比气泡尺度及气泡喷嘴与壁面之间的初始无量纲距离 ($S^{\ast}$)对气泡上升运动特性的影响,分析气泡与壁面碰撞前后,壁面效应与气泡动力学机制及能量变化规律.结果表明,对于雷诺数$Re \approx 580 \sim 1100$,无量纲距离$S^{\ast } <2 \sim3$时,气泡与壁面碰撞且气泡轨迹由无约束条件下的三维螺旋转变成二维之字形周期运动;当$S^{\ast } >2 \sim3$时,壁面效应减弱,有壁面约束的气泡运动与无约束气泡运动特性趋于一致.气泡与壁面碰撞前后,壁面效应导致横向速度峰值下降为原峰值的70%,垂直速度下降50%;气泡与壁面碰撞前,通过气泡中心与壁面距离($x/R$)和修正的斯托克斯数相关式可预测垂直速度的变化规律.上升气泡与壁面碰撞过程中,气泡表面变形能量单向传输给气泡横向动能,使得可变形气泡能够保持相对恒定的弹跳运动.提出了气泡在与壁面反复弹跳时的平均阻力系数的预测模型,能够很好地描述实验数据反映出的对雷诺数${Re}$、韦伯数${We}$和奥特沃斯数${Eo}$等各无量纲参数的标度规律.      

静止水中单个近壁大气泡运动特性的实验研究

气泡运动不稳定性直接关系到气液两相传递作用。本文利用高速摄影技术结合阴影法对静止水中大雷诺数(～O(10~3))气泡在竖直壁面附近的上升运动进行实验研究,通过改变气泡与壁面初始间距,考察气泡轨迹、变形、旋转、速度及加速度等运动特征的变化规律。结果发现气泡呈二维"之"字形周期性振荡上升;与运动轨迹相对应,气泡形变、旋转角度、速度及加速度均呈周期性变化。气泡与壁面初始间距小于1.03倍气泡等效直径时,气泡与壁面发生碰撞,气泡迎面碰壁后形状发生突变,加速度达到峰值,气泡旋转背向弹开;当气泡-壁面初始间距大于1.03倍气泡等效直径时,气泡与壁面不碰撞,壁面作用减弱,气泡形状变化缓慢且不发生滚动换向,呈摆动上升,气泡逐渐远离壁面。随着气泡-壁面初始间距的增大,气泡横向摆动幅度逐渐减小,纵向跨度增大,气泡形状变化幅度逐渐减小,气泡速度和加速度变化幅度略有降低。壁面作用导致高雷诺数气泡大变形,动能与变形能周期性转化,对强化气液传热传质具有重要作用。     

气泡碰撞亲疏水曲壁的行为特性研究

气泡碰撞固壁行为和影响因素的研究一直以来都是科学界关注的重点之一, 其在矿物浮选、气膜减阻等工业领域中的应用也极具科研价值. 论文聚焦曲壁对于气泡撞击行为特性的影响研究. 采用高速摄像技术记录气泡碰撞不同曲率半径下亲疏水曲壁的撞击过程, 分析了曲壁润湿性、曲率半径对气泡碰撞固体曲壁的影响规律. 结果表明, 气泡碰撞亲水曲壁时会发生多次弹跳直至离开曲壁; 曲率半径越大, 弹跳次数越少, 且第一次反弹的最远距离越近, 再次发生碰壁时的速度越小. 而碰撞疏水曲壁时会出现碰撞?滑移?附着的现象, 此外针对液膜挤压破裂的现象, 建立理论模型推导出液膜诱导时间的预测公式, 其主要与液膜厚度、液膜临界破裂厚度和液膜被压缩速度有关, 预测误差小于5.0%.      

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.     

浮力气泡对水平壁面的回弹动力学特性

黏性液体中的气泡浮升运动有趣而又复杂,而气泡与固壁边界的相互作用更是广泛存在于实际工程中.基于轴对称数值计算,模拟了浮力驱动下气泡在黏性液体中上升并与顶部水平固壁面碰撞、回弹的过程.采用考虑表面张力的不可压、变密度Navier-Stokes方程来描述气液两相流流动,并通过基于分级八叉树的有限体积法进行数值求解.为准确捕捉气泡在回弹过程中局部而迅速的拓扑变化,采用了动态自适应网格技术耦合流体体积法(volume of fluid, VOF)来重构气泡的形状.从气泡对壁面的碰撞和回弹的基本现象入手,研究了伽利略数Ga和接触速度U_a对气泡回弹动力学特性的影响,分析了气泡碰撞过程中涡结构的变化.用回弹高度H、回弹周期T、长宽比A_r、浮升速度U、轴向位置z和回复系数Cr等参数来表征不同条件时气泡的运动和形状特性.研究结果表明,气泡的回弹运动特性对Ga十分敏感. Ga的增大可加剧气泡形变,促进气泡的回弹运动,增多回弹次数,增大回弹参数(T和H),提升回复系数.然而,接触速度并非决定气泡回弹动力学的控制参数, Ua的改变并不会改变回复系数.     

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.     

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.     

浮力气泡对水平壁面的回弹动力学特性

黏性液体中的气泡浮升运动有趣而又复杂,而气泡与固壁边界的相互作用更是广泛存在于实际工程中.基于轴对称数值计算,模拟了浮力驱动下气泡在黏性液体中上升并与顶部水平固壁面碰撞、回弹的过程.采用考虑表面张力的不可压、变密度Navier-Stokes方程来描述气液两相流流动,并通过基于分级八叉树的有限体积法进行数值求解.为准确捕捉气泡在回弹过程中局部而迅速的拓扑变化,采用了动态自适应网格技术耦合流体体积法(volume of fluid,VOF)来重构气泡的形状. 从气泡对壁面的碰撞和回弹的基本现象入手,研究了伽利略数 Ga和接触速度$U_{a}$对气泡回弹动力学特性的影响, 分析了气泡碰撞过程中涡结构的变化.用回弹高度$H$、回弹周期$T$、长宽比{$A_{r}$}、浮升速度$U$、轴向位置$z$和回复系数$C_{r}$等参数来表征不同条件时气泡的运动和形状特性. 研究结果表明,气泡的回弹运动特性对 Ga十分敏感. Ga的增大可加剧气泡形变, 促进气泡的回弹运动, 增多回弹次数,增大回弹参数($T$和$H)$, 提升回复系数. 然而,接触速度并非决定气泡回弹动力学的控制参数, $U_{a}$的改变并不会改变回复系数.      

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.     

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。     

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.      

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.