沿平板下落薄膜流动的研究综述

沿平板下落薄膜流动的时空演化一直是流体力学中一个相当活跃的研究领域.全面回顾了下落薄膜从长波近似方程到积分边界层方程, 从线性稳定性分析到弱非线性分析, 从首次失稳到二次失稳以及从有限振幅计算到直接数值模拟的发展历程, 总结了下落薄膜已有的理论结果和数值结果.此外,还介绍了沿加热平板下落的薄膜流动的最新研究进展, 概述了其它类型下落薄膜的研究情况.      

矩形液池内热毛细对流的流动不稳定性

热毛细对流及其不稳定性是微重力流体科学研究的重要内容. 对该问题的研究不仅有利于人们对微重力环境下流体行为、对流不稳定性和湍流转捩过程等基础物理现象的进一步认识,而且也将促进晶体生长、薄膜制备等空间和地面高新技术的发展. 实验研究了矩形液池中浅液层在水平温度梯度作用下产生的热毛细对流及其稳定性. 实验中,成功地利用PIV (particle image velocimetry) 技术对1mm2/s 硅油液层内的浮力热毛细对流流场结构进行了大量观测. 结果表明,液层中的流场结构经历了多种状态的转变,该过程会受到液层厚度的影响. 当液层厚度较小时,比如当d=2:8mm 时,随着液池两端温差的增大,液层中的流场结构会经历单胞对流到双胞对流再到多胞对流的转变,到达多胞对流状态之后,继续增大温差,对流涡胞的数量会有所减少,而当温差进一步增大到一定程度以后,整个液层转变为三维非定常流动;当液层厚度较大时,比如当d=4:5mm 时,随着温差的增大,流动模式的转变主要体现在水平截面流场截面上面,当温差增大到一定程度以后,在靠近高温端的附近区域会出现具有明显三维效应的"梭形结构",该梭形结构的尺寸随着温差的增大而增长,并在温差超过某个临界值时失去对称性,整个液层转变为三维非定常流动.     

有关多层流体对流的研究

简述多层不相混流体系统的研究发展，尤其是在空间材料生长过程中的应用；介绍多层流体系统内流体对流及传热现象，以及利用理论分析、实验研究和数值模拟方法研究二层及三层流体内的自然对流及热毛细对流的成果，并分析探讨覆盖液体层对被覆盖液体的动力控制特性及其系统的稳定性     

Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性分析

热毛细对流是流体界面温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动.它主要存在于空间等微重力环境或小尺度流动等表面张力占主导的情况中.在很多工业领域,如晶体生长、聚合物加工、喷墨打印、微流控,产品质量都与热毛细对流密切相关.空间3D打印是太空制造的重要技术,可以支持空间站的在轨长期有人照料的运行和维护,实现按需制造.本文以聚合物流体的空间3D打印为应用背景,采用线性稳定性理论研究了Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性,得到了在不同Bingham数(B)下的临界Marangoni数(Mac)与Prandtl数(Pr)的函数关系,分析了临界模态的流场和能量机制.研究发现:该流动的临界模态包括流向波和斜波模态,与B, Bi和两界面垂直方向上的温差(Q)相关. B和Bi的增加会增强热毛细对流的稳定性.当Q=0时,扰动温度分布分成对称和反对称两种情况.当Q> 0时, Pr的增加会减弱流动稳定性.在小Pr情况下,扰动温度分布在整个流场,在大Pr情况下,扰动温度在栓塞区为零.能量分析表明:扰动动能的主要能量来源是表面张力做功,但小Pr数下基本流也有一定贡献.     

波纹竖板层流降膜蒸发传热的分析

对高粘度液体在等温正弦形波纹壁面上的自由降落与蒸发建立了摄动分析模型。得到了流动的分析解和蒸发传热的数值解。考察了壁面波纹的波幅和波数、液膜表面张力及贝克利数对流动与传热的影响,结果表明,加大波纹的波幅、适当选择波数、减小贝克利数可增强传热,而表面张力对蒸发传热的影响较小。     

饱和下降液膜的稳定性研究

通过简化表面张力、蒸汽压力和液膜波动之间的关系,用线性理论分析了饱和液膜在等温竖壁上的流动稳定性,讨论了雷诺数、波数、壁面和液膜温差及流体物性变化的影响。     

微尺度金属薄膜屈曲稳定性的实验研究

微尺度金属薄膜的脱粘和屈曲严重影响着膜基结构的性能和使用寿命。本文对微尺度的金属铜薄膜在残余应力和外部压力共同作用下的脱粘屈曲和后屈曲模式进行了研究,用自行设计的单轴对称加载装置进行压力加载,用一台光学显微镜观察薄膜表面的屈曲形貌。在外力作用下薄膜会出现垂直于加载方向的直线型屈曲,但在外力卸载过程中该屈曲并不稳定,会演化成电话线型屈曲,完全卸载后形成泡状屈曲。再次加载后,恢复到直线型屈曲。研究表明:直线型屈曲的不稳定现象主要与薄膜的残余应力、基底的泊松比以及薄膜沿纵向与横向的应力比有关。     

竖直椭圆管内降膜孤立波的实验研究

作者在用摄影法进行坚直椭圆管内降膜波动实验研究时证实,当Re<400时,降膜内确实存在孤立波;R_(?)>400时,存在随机波.降膜中的孤立波是由小扰动发展而成的.实验结果与理论预测的孤立波特性吻合较好.     

Nonlinear Stability Analysis of Thin Viscoelastic Film Flow Traveling Down along a Vertical Cylinder

This paper investigates the weakly nonlinear stability theoryof a thin viscoelastic liquid film flowing down along the outsidesurface of a vertical cylinder. The long-wave perturbation method isemployed to solve for generalized nonlinear kinematic equations withfree film interface. The normal mode approach is first used to computethe linear stability solution for the film flow. The method of multiplescales is then used to obtain the weak nonlinear dynamics of the filmflow for stability analysis. The modeling results indicate that both thesubcritical instability and supercritical stability conditions arepossible to occur in a viscoelastic film flow system. The degree ofinstability in the film flow is further intensified by the lateralcurvature of cylinder. This is somewhat different from that of theplanar flow. The modeling results also indicate that by increasing theviscoelastic effect and decreasing the radius of the cylinder the filmflow can become less stable as traveling down along the verticalcylinder.     

下降液膜在逆向流动空气作用下的换热

以下一代核电站反应堆安全壳非能动冷却为背景，对竖直管内过冷下降液膜在逆向空气．水蒸汽流动作用下的换热提出了一个分析模型，对液膜采用边界层近似理论，对空气．水蒸汽混合气采用由热质传递比拟理论引出的关联式进行分析，考察了各种条件下液膜的厚度、温度、吸收热量与蒸发热量沿流向的变化，与相关研究进行了对比，表明了模型的合理性。     

Stability of a Falling Liquid Film with a Non-Equilibrium Adsorbed Sublayer of Soluble Surfactant

The hydrodynamic instability of a falling film of a dilute solution of a volatile surfactant is studied.The flow of the liquid-gas (vapor) two-phase three-component system is accompanied by surfactant mass transfer across the free surface and is described by a system of five evolutionary equations for five functions depending on time and a spatial coordinate. These functions are the thicknesses of the film and the diffusion boundary layer, the concentrations of the free surfactant and the bound surfactant in the adsorbed sublayer, and the fluid velocity on the film surface. The dispersion equation determining the eigenvalues and the corresponding instability modes is solved numerically in the space of ten free nondimensional governing parameters. Main attention is focused on examining the role of the parameters controlling the influence of the surfactant on the Marangoni effect and the film instability at finite adsorption-desorption rates.     

Thin liquid film morphology driven by electro-static field

The development of stationary patterns on a thin polymer surface subject to an electric field is studied by means of the hexagonal-planform weakly nonlinear stability analysis and numerical simulations.The time evolution of the interface between the air and the polymer film on the unbounded spatial domain is described by a thin film equation,incorporating the electric driving force and the surface diffusion.The nonlinear interfacial growth includes the amplitude equations and superposition of one-dimensional structures at regular orientations.The pattern selection is driven by the subcritical instability mechanism in which the relative thickness of the polymer film plays a critical role.     

受热双层圆薄板的混沌运动

考虑几何非线性和均匀静态温度的影响,研究了双层圆薄板在周期时变横向载荷作用下的混沌现象。首先采用Galerkin法得到了双层板关于时间的非线性动力学方程,而后利用Melnikov函数法,从理论上研究了双层板发生混沌的临界条件及参数范围。最后以某热致微型泵的驱动膜片为例,借助于计算机代数系统Maple进行定量搜索与模拟,并利用Poincaré映射和相平面轨迹以及Lyapunov指数等加以判断,结果表明受热双层板在非线性强迫振动时存在复杂的混沌运动。     

二阶流体薄膜润滑研究

针对二阶流体薄膜润滑在润滑方程中引入二阶流体和弹性变形，在考虑薄膜润滑状态下的非牛顿性和类固体性的基础上，建立了薄膜润滑的粘变数学模型，并针对线接触弹流薄膜润滑进行了数值计算．结果表明，在相同载荷下基于粘变模型计算得到的膜厚同牛顿流体相应的膜厚相比大得多，而粘变薄膜厚度同速度的相关性比牛顿流体的小得多，且粘变薄膜能够承受更大的载荷；所建立的粘变模型适用于薄膜润滑的理论计算．