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。     

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。     

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%.     

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.     

旋转圆盘表面油膜破碎转捩临界特性分析

高速滚动轴承内圈和保持架等旋转运动件表面润滑油膜的流动铺展以及破碎为油带和油矢的特性决定着轴承的润滑与冷却状态.在获得轴承旋转运动件拓扑结构—旋转圆盘表面油膜稳态流动特性的基础上,利用力学平衡和液体表面波不稳定破碎理论,建立表面油膜破碎转捩为油带和油矢的临界特性分析模型,分析和探讨了表面油膜的稳态流动特性以及供油量和润滑油物理特征参数对油膜破碎转捩临界特性的影响.结果表明:表面油膜沿着圆盘径向逐渐变薄,因与圆盘表面存在滑移现象,其流动速度也随之减小;表面油膜破碎的临界波数和临界半径随着圆盘转速的增高而增大,临界厚度则随之减小;表面油膜破碎的临界半径和临界厚度随着润滑油供油量的增加而增大;增大润滑油密度,将延缓表面油膜破碎,破碎临界半径增大,临界厚度减小;增大润滑油的黏度和表面张力系数将促进表面油膜破碎,破碎临界半径减小.与相关的试验结果对比验证了理论分析方法的正确性和可靠性.     

瓦斯渗流场作用下煤层抽放钻孔弹塑性解

为研究瓦斯渗流场作用下的煤层抽放钻孔周围应力分布情况,假定钻孔周围煤体中瓦斯的流动为稳定径向流动状态,建立了渗流力学模型,给出了瓦斯径向稳定渗流方程;在考虑瓦斯渗流场作用下,推导了钻孔周围煤体的微元体力学平衡方程,并引入应力调整系数,求解出其弹性应力解析解;再应用Mohr-Coulomb屈服准则,求解出钻孔周围煤体的塑性应力和塑性半径的解析表达式。通过实例分析表明:钻孔内的抽放负压对钻孔周围煤体应力、塑性区的半径等参数影响较小;在一定的抽放负压(15k Pa)下,随着煤层原始瓦斯压力的增大,钻孔周围煤体的塑性区半径随之增大,距钻孔足够远处的弹性区煤体的应力也随之增大,这比不考虑瓦斯渗流场作用时的经典弹塑性解更加符合实际情况。     

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.      

交变电场作用下单液滴蒸发的分子动力学模拟

利用分子动力学方法研究了正弦形式的交变电场对三维悬浮水滴在超临界氮气环境下蒸发特性的影响, 主要考虑了电场幅值和频率对液滴蒸发寿命和液滴瞬时蒸发速率的影响. 其中水滴由8000个水分子组成, 环境气体由27000个氮气分子组成. 首先利用分子动力学方法模拟计算了不同状态下水的物性参数以及亚临界条件下匀强电场对液滴蒸发特性的影响, 从而验证了分子模型和蒸发模型的正确性. 接着模拟了在不同幅值和频率的交变电场作用下水滴在氮气环境下的蒸发过程, 结果表明, 相比于无电场或匀强电场, 交变电场能够更显著地促进水滴的蒸发. 在频率一定时, 随着电场幅值的增大, 液滴的蒸发速率不断升高, 蒸发寿命不断下降, 且液滴的瞬时蒸发速率、液滴温度、水分子的排列结构等参数都会产生频率为所加电场二倍的振荡特性, 且电场幅值越大, 振荡幅值也越大. 而在电场幅值一定时, 随着频率的增大, 液滴蒸发寿命和速率并不是单调变化的, 而是在频率$f=5$GHz时, 分别达到一个极大值和极小值, 文中从液滴能量和分子排列结构两个方面解释了产生了这一现象的原因.      

基于运动嵌套网格的前飞旋翼桨叶气动干扰数值模拟

采用运动嵌套网格和求解Navier-Stokes方程的方法,数值模拟了前飞状态的旋翼流场,结果同试验数据吻合得很好;在此基础上,分别对单双桨叶旋翼在两种桨距情况下的前飞流场,进行了对比计算,模拟了各种因素对旋翼桨叶间气动干扰作用的影响,并对其机理进行了探讨,得到一些与工程实际吻合的现象和结论.     

基于表面力模型的液滴冲击弹性基底SPH模拟

采用光滑粒子动力学SPH方法建立液滴冲击弹性基底的流固耦合数值模型,给出描述粘性流体和弹性固体运动的SPH离散方程和数值处理格式,引入人工耗散项来抑制标准SPH方法的数值震荡。为模拟液滴的表面张力效应,通过精确检测边界粒子,采用拉格朗日插值方法计算表面法向量和曲率,结合界面理论中的连续表面力CSF方法,建立了适用于自由表面液滴的表面力模型,方形液滴变形的模拟结果与拉普拉斯理论解吻合较好。随后,采用SPH流固耦合模型模拟1.0 mm直径水滴以不同速度(0.2 m/s～3.0 m/s)冲击两种薄板型基底,分析了基底弹性变形对液滴铺展、收缩以及回弹行为的影响。     

Effects of fuel properties on the burning characteristics of collision-merged alkane/water droplets

The combustion characteristics of freely falling droplets, individually generated by the merging of colliding alkane and water droplets, were experimentally investigated. The outcome of the collision droplets was firstly studied and then the subsequent burning processes such as the flame appearance, ignition and burning behaviors were recorded, through either visual observation or microphotography with the aid of stroboscopic lightening. If the merged droplets were exhibited in an insertive manner, while the water droplet inserted into the alkane droplet, these yield the burning behaviors prior to the end of flame were very much similar to that of pure alkane. The burning was ended with droplet extinction for lower-C alkane, and with either droplet “flash vaporization” or extinction for hexadecane. And if the merged droplets were in adhesive manner, for hexadecane with large water content, they either could not be ignited for the large merged droplets, or be ignited with a much prolonged ignition delay, followed by a soot-reducing flame and an ending of droplet extinction for the small merged droplets. “Homogeneous” explosion was not observed in any of the tests, and “heterogeneous” explosion, induced by trapped air bubbles, occasionally occurred for merged droplets with C-atom in alkane is higher than dodecane. And the sudden disappearance of droplet definitely decreased the burning time and thus enhanced the burning intensity. Besides, the fuel mass consumption rates were increased, even in the cases that having droplet extinction, because of the enlargement of the surface area due to the stuffing of water droplet.     

Lattice Boltzmann simulation of multiple droplets impingement and coalescence in an inkjet-printed line patterning process

Three-dimensional computations on the basis of the index-function lattice Boltzmann method are performed to simulate the process of multiple droplets impinging and coalescing into a line pattern on a solid substrate. The employed calculation model is validated by theoretical calculated values and experimental data from the literature. The influences of the equilibrium contact angle, droplet spacing and impinging velocity on the droplets impingement and coalescence behaviours are investigated. Numerical results demonstrate the width of the formed line depends significantly on the equilibrium contact angle and droplet spacing. The droplet spacing plays a significant role in controlling the coalescence moment of multiple droplets. The resolution of the printed pattern can be slightly increased with increase in impinging velocity.     

液滴与液面碰撞时发生环形穿人的条件

在自由落下的液滴与液面碰撞的实验中,蔡一坤发现环形穿入现象,它的出现与下落高度之间有某种周期性关系,蔡文根据实验结果整理出了经验公式,本文从液滴的自由振动出发,得到了与实验结果符合得更好的公式,从而为环形穿入提供了理论解释。     

液滴与液面碰撞时发生环形穿人的条件

在自由落下的液滴与液面碰撞的实验中,蔡一坤发现环形穿入现象,它的出现与下落高度之间有某种周期性关系,蔡文根据实验结果整理出了经验公式,本文从液滴的自由振动出发,得到了与实验结果符合得更好的公式,从而为环形穿入提供了理论解释。     

DROPLET COLLISION AND COALESCENCE MODEL

A new droplet collision and coalescence model was presented,a quick-sort method for locating collision partners was also devised and based on theoretical and experimental results,further advancement was made to the droplet collision outcome. The advantages of the two implementations of smoothed particle hydrodynamics (SPH) method were used to limit the collision of droplets to a given number of nearest droplets and define the probability of coalescence,numerical simulations were carried out for model validation.Results show that the model presented is mesh-independent and less time consuming,it can not only maintains the system momentum conservation perfectly,but not susceptible to initial droplet size distribution as well.     

组装式微流控系统制备双重包裹微液滴的方法研究

介绍了一种组装式微流控系统制备单、双重包裹微液滴的方法。微系统中用三通接头构成T型微流体通道,使得分散相在连续相强烈的剪切力和压力差作用下断裂形成单个微米级液滴。在制备单个微液滴基础上,用毛细管将两个三通接头串联,通过调控三相流量,可产生双重包裹液滴。结合实验结果,分析了流体粘度比对液滴大小的影响,并得出液滴的尺寸与流量比之间的关系式,为制备不同尺寸的液滴提供了参考依据。对制备的样品进行统计分析,结果显示,液滴的多分散性指数均小于3.2%,表明微液滴的高度均匀性。此外,通过调节三相液体的流量不仅可以控制内外层液滴的大小,还可以调节内层包裹液滴的个数。本文提出的制备方法,设备组装拆卸简便,不需表面亲疏水性处理,装置利用率高,产生的单、双重包裹微液滴可满足高通量的测量分析要求。     

Volume Crystallization of a Nickel Droplet Containing Refractory Nanoparticles upon Its Impact onto a Substrate

A mathematical model is developed for nonequilibrium volume crystallization of a metallic droplet modified by mechanically activated refractory nanoparticles upon its impact onto a solid substrate. The model takes into account the kinetics of heterogeneous and homogeneous nucleation during melt cooling. Specific features of crystallization of a liquid metal (nickel) depending on the concentration and size of modifying particles are examined numerically. A typical feature of the process considered is the maximum supercooling of the melt, whose magnitude depends on the particle size and cooling intensity. Homogeneous nucleation is almost absent. The calculated radii of droplets solidified on the substrate are in good agreement with available experimental data. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 47, No. 1, pp. 29–34, January–February, 2006.     

梯度润湿表面上液滴定向迁移及合并行为的格子Boltzmann模拟

采用改进的格子Boltzmann方法，对梯度润湿性表面上液滴的定向迁移及合并行为进行了数值模拟，该模型在精度和稳定性上都有很大改善，同时，研究了梯度润湿性表面上液滴定向迁移和合并的动力学特性，并对液滴尺寸及润湿梯度对液滴动力学特性的影响规律进行了分析。数值结果表明，液滴在梯度润湿性表面运动时会发生形变，且动态接触角逐渐减小。润湿梯度对液滴定向迁移行为有显著影响，润湿梯度越大，液滴左右侧接触线位移越大，润湿长度增加越快。但是液滴尺寸对接触线位移影响较小。润湿梯度对液桥宽度基本无影响，但对液滴初始合并时间有显著影响。     

A Quasimolecular Approach for Discrete Study of Droplet Collision

A discrete numerical method based on a molecular approach has been used as an alternative technique for the study of liquid drop dynamics. The Weber number and the Impact number are found to be the key parameters that determine the outcome of collision of two liquid droplets. This study confirms the experimental fact that the number of daughter droplets resulting from the collision of two droplets increases with the Impact number for a large Weber number. The shapes of the droplets at different phases during collision are in accord with the experimental observation.