粗糙纳通道内流体流动与传热的分子动力学模拟研究

为研究粗糙表面对纳尺度流体流动和传热及其流固界面速度滑移与温度阶跃的影响,本文建立了粗糙纳通道内流体流动和传热耦合过程的分子动力学模型,模拟研究了粗糙通道内流体的微观结构、速度和温度分布、速度滑移和温度阶跃并与光滑通道进行了比较,并分析了固液相互作用强度和壁面刚度对界面处速度滑移和温度阶跃的影响规律. 研究结果表明,在外力作用下,纳通道主流区域的速度分布呈抛物线分布,由于流体流动导致的黏性耗散使得纳通道内的温度分布呈四次方分布. 并且,在固体壁面处存在速度滑移与温度阶跃. 表面粗糙度的存在使得流体剪切流动产生了额外的黏性耗散,使得粗糙纳通道内的流体速度水平小于光滑通道,温度水平高于光滑通道,并且粗糙表面的速度滑移与温度阶跃均小于光滑通道. 另外,固液相互作用强度的增大和壁面刚度的减小均可导致界面处速度滑移和温度阶跃程度降低. 关键词： 速度滑移 温度阶跃 流固界面 粗糙度     

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。     

Hydrodynamics of passing-over motion during binary droplet collision in shear flow

A combined experimental and numerical study is undertaken to investigate the hydrodynamic characteristics of single-phase droplet collision in a shear flow. The passing-over motion of interactive droplets is observed, and the underlying hydrodynamic mechanisms are elucidated by the analysis of the motion trajectory, transient droplet deformation and detailed hydrodynamic information (e.g., pressure and flow fields). The results indicate that the hydrodynamic interaction process under shear could be divided into three stages: approaching, colliding, and separating. With the increasing confinement, the interaction time for the passing-over process is shorter and the droplet processes one higher curvature tip and more stretched profile. Furthermore, the lateral separation Δy/R₁ exhibits larger decrease in the approaching stage and the thickness of the lubrication film is decreased during the interaction. As the initial lateral separation increases, the maximum trajectory shift by the collision interaction is getting smaller. During the collision between two droplets with different sizes, the amplitude of the deformation oscillation of the larger droplet is decreased by reducing the size ratio of the smaller droplet to the bigger one.     

液滴撞击热壁面的相变行为研究

本文基于格子Boltzmann方法建立了液滴撞击热壁面的数学模型,研究了撞击过程液滴相变传热机制,重点分析了壁面温度与We数的影响规律.结果表明,随着壁面温度升高,液滴撞击壁面出现接触沸腾、膜态沸腾相变模式.接触沸腾过程中液滴内部与壁面接触的三相线附近出现最大局部热流.当壁面温度超过Leidenfrost点后,撞击液滴因界面蒸发产生的气膜托举作用而与壁面无接触地铺展、回缩直至完全反弹形成膜态沸腾,这一阶段液滴所能达到的最大铺展因子与液滴We数呈幂次关系(指数为0.313).     

粗糙表面形貌对微尺度流动换热的影响

基于分形几何定量描述了多尺度自仿射的粗糙表面形貌,建立了微通道内层流流动换热的理论模型并对表面形貌的影响进行了数值模拟.研究表明,自仿射分形维数直接反映了表面轮廓的不规则度,对于两个具有相同统计粗糙度的轮廓,可能存在不同的分形维数;与常规尺度通道不同,雷诺数、粗糙高度和粗糙表面分形维数都对微通道内层流流动换热有着重要影...     

液-液两相液层间传质过程的Rayleigh-Bénard-Marangoni对流特性

传质引发的Rayleigh-Bénard-Marangoni对流(RBM对流)对化工传递过程有着显著影响.但是,已有的相关研究多集中于气-液体系,并且有限的针对液-液体系的相关研究尚缺乏对RBM对流演化及其引发的界面扰动行为的深入分析.因此,本文基于阴影法设计搭建了竖直狭缝内液-液两相液层间传质过程的RBM对流特性可视化实验平台,并实验观测了水-甲苯-丙酮三元体系中丙酮组分扩散传质时出现的RBM对流结构以及其向下层水相主体的发展演变过程,探讨了水相丙酮初始浓度、甲苯相丙酮初始浓度以及甲苯层厚度对RBM对流特性和液-液界面形貌的影响.研究表明:在Rayleigh-Taylor不稳定性作用下,水相上层密度(重力)分层"界面"下凸沉降形成波浪形丘状"界面",并随着"界面"处密度与压力失调的加剧而演变成羽状流;因羽流区"界面"不同浓度梯度引起的传质特性差异,羽状流又可以演变成弱羽状流和强羽状流两种形态;当丙酮浓度梯度增大到一定程度后,近界面处短时间内产生大量RBM对流结构,且结构间相互影响增强而聚并成对流团,并随着传质过程的进行,逐渐演变成独立的强羽状流; RBM对流强度与上下液层丙酮浓度梯度大小呈正相关关系,且液-液界面粗糙度及其非稳态波动随着丙酮浓度梯度的增加而增大.     

构形树状小通道热沉的传热分析

建立了恒受热面温度条件下构形树状小通道热沉中层流流动和换热的三维稳态模型,进行了数值求解,给出了热沉的流动压降、温度分布和热有效性,并与蛇形通道热沉进行了比较。研究结果表明,构形树状结构有效分散了冷却流体,强化了流动换热;与蛇形通道相比,构形树状通道不仅具有压降小的优势,而且其热有效性也远高于蛇形通道。     

矩形微通道中环状冷凝的数值模拟

建立了一套恒热流边界条件下矩形微通道内环状冷凝过程的一维稳态模型,进行了数值计算,并将数值模拟结果与正三角形中的冷凝过程进行了比较.研究显示,在不同截面的微通道中,液相毛细半径和流速的沿程变化趋势都是相似的.同条件下,矩形通道的冷凝段长度大于正三角形通道.在矩形微通道中,通道入口蒸气压力和水力直径越大或者接触角越小,则冷凝段长度越长.     

表面粗糙度的分形特征及其对微通道内层流流动的影响

基于分形几何学,研究了表面粗糙度的分形特征.采用Weierstrass- Mandelbrot函数对多尺度自仿射的表面粗糙度进行了描述;建立了微通道内层流流动的三维模型并对表面粗糙度的影响进行了数值模拟,分析了雷诺数、相对粗糙度和分形维数对流动阻力特性的影响.研究结果表明,与常规尺度通道不同,粗糙微通道的Poiseuille数不再是常数,而是随雷诺数近似线性增加;相对粗糙度越大,流动产生的回流和分离所导致的流动压降越明显.在相同的相对粗糙度下,粗糙表面的分形维数越大,表面轮廓变化就越频繁,这也将导致流动阻 关键词： 粗糙度 层流阻力系数 微通道 分形     

粗糙表面形貌对湿润性的影响

采用自仿射分形对粗糙表面形貌进行了定量描述。基于分形粗糙表面形貌,建立了粗糙表面润湿性的理论模型并进行了数值计算,分析讨论了均方根粗糙度和表面分形维数对接触角的影响。研究结果表明,均方根粗糙度对接触角的影响较大,而粗糙表面的分形维数对润湿性的影响则并不明显。