具有复杂界面的三维弹性液滴动力学模拟

具有复杂界面特性(如界面弹性、界面抗弯特性等)的弹性液滴(如血液细胞)的动力学行为对理解血流等液滴群流动极其重要。本文采用界面追踪法(Front tracking method)捕捉界面演变,界面有限元考虑界面弹性和抗弯特性,有限差分法求解控制方程,发展了研究复杂界面液滴动力学的直接数值模拟方法。通过模拟球形弹性液滴的变形运动验证了该方法的准确性,进而研究了线性剪切流场中弹性液滴的坦克履带式、摇摆式和翻滚式运动。     

不同直径液滴撞击亲水壁面动态特性实验研究

本文通过可视化实验研究了不同直径液滴撞击亲水壁面的动态特性.实验利用光学原理同时记录了液滴撞击壁面过程的正面及底面图像。实验结果表明:液滴最大铺展因数随液滴初始直径近似呈线性增长关系;随液滴直径增大,液滴铺展至最大时需要的绝对时间、滞留时间、回缩时间均增长,稳定时的液固接触面积变大;液滴铺展至最大铺展因数所需要的无量纲时间约为1.68;液滴直径越小,则撞击后液膜回缩更为迅速.     

液滴在粗糙固体表面上的铺展特性

本文建立了粗糙固体表面上液滴铺展过程的理论模型并采用了格子Boltzmann方法进行数值模拟,研究了粗糙与光滑表面上液滴铺展过程的形貌变化。研究结果表明,无论表面光滑还是粗糙,液滴都沿着半径方向逐渐铺展,整体首先呈帽形,随着时间的推移,液滴在表面铺展成一平面。粗糙表面与光滑表面铺展特性间的差异主要在于粗糙表面液滴受到粗糙元干扰,其铺展形状随时间推移由圆形向八边形过渡.粗糙元间隙的增大导致液滴润湿半径增大,液滴厚度沿半径方向变化梯度降低。     

极端条件两相界面流与反应流机理、模型与算法研究进展

清华大学喷雾燃烧与推进实验室长期专注于极高速、强可压和高瞬变等极端条件下的两相流和反应流前沿科学问题,并致力于应用基础研究成果解决航空航天动力与推进系统的关键技术难题。综述了实验室近些年在极端条件下两相流动和含化学反应流动物理机理、数理模型与数值算法等方面的研究进展。首先,介绍了实验室发展的耦合高瞬变相变过程的强可压缩气液两相界面流的数理模型和高精度数值方法,以及针对激波受气液（曲）界面约束情况下,描述非定常激波透射/反射（如波角、波强等物理量关系）的激波动力学分析方法。其次,基于上述模型、算法与分析方法,实验室研究了激波液滴相互作用、高速液滴撞击壁面等一系列问题,解析了上述高瞬变过程中复杂波系与界面的时空演化过程。以被激波或壁面冲击的液滴内流体空化初生为例,揭示了曲界面汇聚膨胀波诱导流体空化的机理,推导了预测空化初生位置的理论公式。最后,介绍了面向发动机燃烧室内的强可压缩两相喷雾反应流动,实验室开发了基于Euler-Lagrange框架的高性能数值仿真软件TURFsim,并成功用于真实复杂几何结构的航空发动机燃烧室和超声速燃烧室的数值模拟。以典型的超声速混合层流动数值模拟为例,总结了斜激波增强混合层混合特性的规律及其物理机理,获得了极限条件火核生成及火焰的传播模式与机理,详细分析了液雾弥散与蒸发、小激波和局部爆震波的时空演化特性,提出使用"第三Damk?hler数Da_Ⅲ"定量表征燃烧模式,应用该无量纲参数成功进行了局部准等容燃烧过程的辨识与演化分析。上述研究结果对于航空航天发动机燃烧室复杂物理过程的理解及工程设计具有重要价值。      

液滴光池的荧光光化学传感器研究

基于荧光熄灭原理 ,自制一种液滴传感装置 ,采用蠕动泵自动进液 ,定时微机控制处理。试验发现 3,3′ ,5 ,5′ 四甲基联苯胺二盐酸盐 (TMB d)具有非常强的荧光 ,其荧光信号在不同的条件下能被过氧化氢熄灭 ,而且荧光信号的强度与样品浓度在一定范围内呈线性关系。选取最佳的试验条件 ,测得过氧化氢的线性响应范围为 3.2 2× 10 - 7～ 3.33× 10 - 4mol·L- 1,检出限为 3 3× 10 - 10 mol·L- 1。利用日立 85 0型荧光分光光度仪作静态分析比较 ,可得相似的响应现象     

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.      

液滴振荡模型及与数值模拟的对比

由于碰撞壁面后液滴内部流动的复杂性, 以及气-液-固三相间的相互作用, 对液滴碰撞壁面形态变化的数学理论研究有较大的难度, 因此所见者多为实验和数值模拟. 本文通过对液滴受力状态的分析, 得到了惯性力、黏性力和表面张力带经验系数的表达式, 并进一步建立了液滴碰撞壁面振荡模型, 得到了液滴铺展半径的振荡表达式, 以及表面张力、黏性系数等参数对液滴铺展的影响. 最后通过与液滴衰减振荡数值模拟结果的对比, 确定了液滴振荡模型中的修正系数, 验证了模型的可行性. 关键词： 液滴碰撞 振荡 铺展半径/高度 数值模拟     

基于格子Boltzmann方法的液滴沿固壁铺展动态过程模拟

矿井喷雾降尘是利用水雾使粉尘润湿沉降的过程,考虑到固体与液体间分子作用力,本文采用格子Boltzmann方法对液滴沿固壁铺展的动力学行为进行了数值模拟,结果发现铺展直径及动态接触角随时间呈指数规律,确定了液滴表面张力与铺展最大直径间的关系,固壁润湿性对铺展最大速度值影响较大,这些与物理试验及文献结果符合良好. 进一步考察了疏水性强的固壁,发现当液滴表面张力足够小时,铺展接触角可以在90°以下,与理论公式符合. 研究发现铺展过程中伴随着振荡,且铺展到最大时液膜有回缩趋势. 关键词： 液滴 格子Boltzmann方法 铺展 数值模拟     

液滴低速撞击润湿球面现象观测分析

采用高速摄像仪以10000 帧/s的拍摄速度对液滴低速撞击润湿球体表面过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击后的反弹、局部反弹和铺展等现象, 考察了黏度对撞击过程的影响; 在此基础上, 定量讨论了液滴铺展特征参数随撞击速度、球体直径和黏度的变化规律. 观测发现: 黏度较大且撞击速度较低时, 撞击后可能出现反弹和局部反弹, 黏度较小时则不发生; 铺展面积随撞击速度的增大而增大; 黏度增大时, 铺展因子减小; 在球体直径为4–20 mm范围内, 随着球体直径的增加, 铺展因子呈上升趋势. 关键词： 液滴撞击 润湿球面 铺展 黏度     

固体表面上流动膜沸腾与液滴蒸发机理研究的新进展

当单个液滴落在温度超过某一临界值的炽热固体表面上时,液滴会像弹性球一样跳跃,并伴随着液滴表面蒸发而滴径逐步缩小.这种现象由J.G.Leidenfrost在1756年所发现,是物理学上著名的“球化态”奇异现象,称为Leidenfrost现象.出现此现象的热表面临界温度则称为 Leidenfrost温度(LFT).不同液体在不同压力下和不同表面状况的LPT是不同的.常压下水在一般平整度的钢铁表面上的LFT大约为300℃.液滴大小不同时所呈现的Leidenfrost现象也会有差异.滴径较大的液滴撞击温度超过LFT的热表面时,将克服表面张力的制约而伸展成圆盘状,悬浮在炽热固体…