液滴撞击超亲水表面冷液膜的研究

液滴撞击过程因具有较强的传热传质性能被广泛应用于工业领域中。本文利用高速摄影机和红外热像仪,研究了液滴撞击超亲水表面冷液膜的水力学特性和温度分布,探讨了撞击We数和液膜温度对撞击过程中水力学特性以及液膜温度分布的影响.总结了液滴在超亲水表面的液膜上的水力学特征的变化规律。实验结果表明,液滴铺展速度和最大铺展直径随撞击We数的增大而增大。同时,液膜温度会影响液滴撞击薄液膜后的水力学特性.在低We数下液滴撞击低温薄液膜后液膜的温度呈高低相间的环状分布,随着撞击We的增大,该环状温度分布消失。这对要求精确喷雾控温的工业过程起到了十分重要的意义.     

液滴撞击移动表面动力学特性

试验观测了水滴撞击移动水平铝表面动力学行为,分析了液滴撞击移动表面铺展特征,探讨了液滴不同尾流形态的形成机理。试验研究发现,液滴撞击移动表面存在铺展及拉伸过程。表面剪切力对液滴动力学行为起决定作用,铺展阶段抑制液膜前端液指形成,拉伸阶段促进后端液指产生。表面剪切力对液滴纵向铺展因子影响较大,横向最大铺展因子随剪切韦伯数增大而减小。液滴拉伸后尾流可分为黏附沉积、液指断裂、单液指及多液指四种形态。     

液滴撞击圆柱壁面后液膜最大扩展长度的理论分析

液滴撞击圆柱壁面后,液膜的最大扩展长度是液滴动力学行为的重要方面之一.本文基于能量守恒原理,考虑液滴撞击圆柱壁面前后的动能、重力势能和表面自由能的变化以及液膜扩展过程中的黏性耗散能,建立理论分析模型,获得液膜在圆周方向和轴向上最大扩展长度之间的关系;结合相关文献由实验获得的液膜在轴向上最大扩展长度的经验关联式,进一步求解得出液膜在圆周方向上的最大扩展长度,最后将其计算值与实验测量值进行对比,发现其偏差在7％内,从而验证了模型的可靠性.     

铝液滴撞击曲面的流动特性分析

为揭示高表面张力的铝液滴撞击弯曲壁面的铺展机制,基于流体体积方法建立了铝液滴撞壁的数值计算模型,通过分析韦伯数(We)、奥内佐格数(Oh)以及壁面曲率(k)对液滴碰壁过程的影响规律,探索了铝液滴在曲面上的铺展特性与流动机理.研究结果表明:随着We的增大,铝液滴的撞壁行为模式依次表现为黏附、反弹以及破碎射流;由于铺展和回缩过程都会产生能量耗散,因此液滴回缩速度要小于其铺展速度.在撞壁过程中,接触点处产生了两次压力峰和速度峰,分别出现在撞壁时刻与即将反弹时刻.随着k的增加,液滴的最大铺展系数不断增加,且在平面上最小,但曲率变化对液滴铺展速度的影响并不突出.基于计算结果,通过引入k对铺展系数预测模型作出了修正.同时,基于能量守恒定律,对铝液滴在曲面上的流动过程进行分析,建立了多因素耦合作用下的铺展系数计算模型.与撞击平面相比,液滴在曲面上的铺展系数不仅与液滴的运动参数、壁面的润湿性有关,还与壁面曲率与液滴曲率之比有关.本文提出的两种预测模型均能为实际的工程应用提供参考依据.     

单液滴正碰球面动态行为特性实验研究

在考虑空气阻力影响,确定液滴撞击球面速度的基础上,对较高韦伯数液滴撞击干燥球面动态行为过程进行了实验研究,分析了球面曲率与韦伯数对液滴撞击行为和铺展因子的影响,并与前人撞击平面结果进行了对比.实验表明,靠近撞击球面时,液滴降落速度出现明显波动;球面曲率对液滴撞击后行为影响明显,曲率较大时,液滴撞击后铺展液膜会超出球面直径并滑落,曲率较小时,液滴撞击后在球面上呈现明显的铺展、回缩、震荡、着附动态变化行为,此时最大铺展因子受曲率影响小,随曲率减小,逐渐趋向于撞击平面时的最大铺展因子;韦伯数对液膜铺展速率影响较小,但对液膜回缩时间影响明显,最大铺展因子随韦伯数增加逐渐增大,获得的关联式呈指数变化.     

剪切变稀液滴撞击不同浸润性壁面的数值模拟研究

基于有限元法,采用水平集方法捕捉相界面的移动,构建了液滴撞击固体壁面的数值模型.通过修正的幂律模型描述流体的非牛顿剪切变稀特性,探讨了剪切变稀特性对液滴撞击固体壁面后铺展行为的影响,分析了撞击不同浸润性壁面时剪切变稀特性对液滴撞击壁面行为的影响差异.研究结果表明:随着幂律指数m的减小,液滴撞击过程中的黏性耗散减小,液滴的形貌变化及无量纲参数变化更为显著.接触角为55°的情况下:当m降低至0.85时,液滴铺展过程中开始出现显著区别于牛顿流体液滴的振荡现象;当m降低至0.80时,液滴在回缩过程中会出现中心液膜断裂的情况.接触角为100°时,剪切变稀液滴均会出现振荡行为,振荡幅度随着m的减小而增大.接触角为160°时,牛顿流体液滴与剪切变稀液滴均会在回缩过程中弹起,但剪切变稀液滴的弹起速度更快.此外,基于数值计算结果,本文提出了接触角为55°情况下剪切变稀液滴撞击壁面后的最大无量纲铺展直径预测模型.     

超疏水表面上多液滴合并触发液滴弹跳现象的理论分析

超疏水表面上由冷凝液滴的合并触发的液滴弹跳现象在自清洁、强化传热、防结霜等工程领域均有广阔的应用前景。本文建立了一个能量模型以分析多液滴合并触发的液滴弹跳现象。依据本文模型,在液滴弹跳过程中,涉及到表面能、黏性耗散、重力势能、阻滞功、振动动能和平动动能等能量形式的变化及转换,当有更多的表面能转化为平动动能时,液滴弹跳速度会更快。结果表明,多液滴合并能够释放更多的表面能,分布更集中的液滴之间的合并有利于获得更多的平动动能,使液滴弹跳速度更大。此外,存在最小的临界液滴半径和半径比,小于该半径或半径比时,不会发生液滴弹跳。随合并液滴数量的增加,该最小的临界液滴半径和半径比均减小。     

液滴撞击不同湿润性固壁面上静止液滴的格子Boltzmann研究

采用单组分多相的伪势格子Boltzmann方法,在大小液滴粒径比为1.5的情况下,对大液滴竖直撞击壁面上静止小液滴的过程进行模拟,研究亲水与超疏水壁面上大液滴竖直碰撞小液滴的过程,得到液滴铺展因子和相对高度随时间的变化.结果表明:增大We数会使液滴的铺展因子增大,铺展直径变大,相对高度减小;并且随着We数的增加,在超疏...     

小韦伯数下液滴撞击光滑壁面的数值模拟

采用界面追踪法数值模拟了液滴以小We撞击光滑壁面的动力学过程.通过数值模拟发现,当液滴初始动能较小时(We=12),液滴表面能主导了能量转换过程,因此最大铺展率βmax随Re增加而单调增加;当液滴初始动能继续增加到中等程度时(We=30),能量转换主导因素存在液滴黏性与液滴变形诱导强应变的竞争机制,最终导致βmax随Re增加而非单调变化,而液滴残余动能随Re增加而增大也进一步促进了非单调βmax;随着液滴初始动能的进一步增加(We=60),动能主导了液滴铺展的能量转换过程,最大铺展率βmax再次随Re增加而单调增加.当液滴处于"无气膜"铺展时,液滴底部表面张力的消失导致液滴可有更大的βmax.     

液滴撞击圆柱内表面的数值研究

针对液滴撞击圆柱内表面的过程,利用基于相场的格子Boltzmann方法模拟液滴以不同初速度、从不同初始高度、撞击不同大小的圆柱内表面时液滴的形态变化,分析了液滴自身物性(如密度和黏性等)和圆柱内表面润湿性等因素对撞击现象的具体影响.研究发现:撞击韦伯数、密度比及动力黏性比、圆柱半径等对液滴撞击后沿圆柱内表面的铺展均有一定影响,较高的韦伯数下液滴可能会发生分裂;液滴初始高度对大密度比和动力黏性比的撞击影响较小;液滴反弹现象可能出现在接触角较大时;重力作用会抑制撞击后液滴的振荡.     

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.     

实验观测液滴撞击倾斜表面液膜的特殊现象

采用高速摄像仪以10000帧/s 的拍摄速度对液滴撞击倾斜表面液膜的过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击倾斜表面液膜后的铺展、水花形成以及飞溅等现象, 考察了撞击角对液滴震荡变形过程的影响; 在此基础上, 定量讨论了液滴铺展速度随时间的变化规律, 揭示了液滴撞击速度和撞击角对前、后铺展因子及初始铺展速度的影响.观测发现, 在撞击角为28.0°–74.7°范围内, 随着撞击角的减小, 液滴在液膜表面的震荡变形程度增大; 前铺展因子随撞击速度的增大而增大, 随撞击角的减小而增大; 后铺展因子随撞击速度的增大几乎不发生变化, 但是随撞击角的增大而增大; 液滴初始铺展速度随撞击速度和撞击角的升高而增大. 关键词： 液滴撞击 倾斜液膜 铺展因子 铺展速度     

固体表面液滴铺展与润湿接触线的移动分析

液滴在固体表面上的铺展行为与润湿特性对许多工业生产过程的研究具有重要意义.根据液滴在光滑表面上的受力情况,建立了液滴平壁铺展的动力学模型.应用润滑近似方法和二维Navier-Stokes方程,建立了液滴沿理想表面铺展的动量和连续性方程.根据建立的方程,应用数值解法求解并详细分析了液滴在铺展过程中膜厚、接触线铺展半径以及铺展速度随时间的变化关系.研究结果表明:液滴的铺展过程可分为扩展和收缩两个阶段,铺展过程伴随着表面能、动能以及各种势能的相互转化,液滴最终的铺展半径大小由固体基面固有的润湿特性所决定;液滴在铺展过程中出现的"坍塌效应"与弯曲液面处的Laplace压力差有关;铺展半径随时间变化的标定律近似满足"1/7"次方标度律.     

大液滴撞击不同润湿性小球的三维格子Boltzmann方法模拟

采用三维多松弛(MRT)Shan-Chen的格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟液滴撞击不同润湿性固体小球(液滴直径与小球直径比大于1)的动态过程,在多种方法验证计算模型准确性的基础上,探究液滴韦伯数、小球表面润湿性对液滴撞击小球动态过程的影响,以及液滴撞击小球后形成片层的几何特征与球面润湿性的关系。结果表明：液滴撞击小球后将形成钟罩形的片层,撞击亲水小球后的片层则会出现凹痕。当小球表面润湿程度一定时,片层的最大底径随韦伯数增大而增加。撞击亲水小球时,片层形成后会完全闭合,韦伯数越大,且片层完全闭合的时刻越早,并在闭合过程中片层容易发生破裂。而撞击疏水小球时,韦伯数越大,则片层发生破裂的时刻越早;在片层打开过程中,破裂后的片层成环条状下落,即片层的几何特征受韦伯数和小球润湿程度的共同影响。     

单液滴冲击超疏水壁面的压力特性研究

雨滴撞击索类结构表面可能会激发振动及表面积冰等问题,现有研究多关注于疏水壁面及液滴撞击壁面铺展、回缩特性,鲜见涉及雨滴冲击超疏水壁面压力特性的研究.为此,采用CLSVOF方法对单液滴冲击超疏水固壁面这一过程进行数值计算,分析了液滴速度、初始直径等因素对液滴冲击超疏水壁面的压力特性、液滴动态行为特性及液滴与壁面接触时间的影响.结果 表明:单液滴撞击超疏水壁面的过程中,接触瞬间在接触点附近产生局部高压区,而在液滴铺展过程中,对壁面几乎没有压力冲击;在回缩反弹阶段,壁面受到持续较长时间的压力波动,且压力波动区域不局限于初始接触点附近较小范围.撞击速度或液滴初始直径的增大使壁面受到的冲击更为剧烈,且初始速度对壁面受压的影响更为明显.一定范围内液滴初始直径的增大则会导致接触时间延长.     

电驱动引发液滴弹跳过程中的能量转换

许多工业技术如凝结散热和燃料电池等要求实现固液分离,电润湿是引发液滴从疏水表面脱离的一种有效的方法,而且方便控制.电场激励的液滴弹跳依赖于表面能向动能和其他形式能量的转化,目前尚缺乏对这一过程的深入研究.本研究利用高速摄像机捕捉了在电润湿激励下疏水表面液滴的弹跳运动,根据接触角和液滴形态的变化预估了引发液滴弹跳的电压阈值,并利用自编Matlab程序分析和计算了在液滴脱离表面和反复弹跳过程中各种形式的能量.结果表明,液滴质心的动能和势能在液滴脱离表面飞行期间存在明显的耦合关系,振动动能和表面势能在飞行阶段也存在一定的耦合关系,液滴黏性引起的内部耗散随着液滴振荡变形的幅度增大,并随着时间衰减.由于可以引发液滴振荡变形并制造更多的表面能,在液滴弹跳中交流脉冲比直流电更高效.通过揭示电润湿驱动的液滴弹跳过程中能量的转化和耗散机制,为该技术在固液分离和三维数字微流控中的应用提供了理论参考.     

液滴撞击高温梯度锯齿表面的动态行为特性

以铝片为基底制备了倾角连续变化的梯度结构锯齿表面,采用高速摄影仪对液滴撞击高温梯度锯齿表面的动态行为进行了研究。结果表明:在不同温度下,液滴撞击高温梯度锯齿表面会出现四种不同的模式:黏附模式,膨胀模式,炸裂模式以及反弹模式。在一定的温度下,当液滴底部蒸汽膜稳定时,液滴进入反弹模式,且随着锯齿表面温度不同,液滴会向不同方向发生反弹行为,其反弹偏移量与锯齿表面温度、撞击位置、液滴尺寸以及韦伯数(We)等因素有关。基于力学和表面物理化学理论,对液滴的运动行为进行了分析并建立了液滴反弹行为的运动机制模型。     

液滴碰撞Janus颗粒球表面的行为特征

为研究液滴碰撞Janus颗粒(双亲性)球表面的独特行为特征,以粒径为5.0 mm铜球为材料制备了Janus颗粒,用直径为2.0 mm的液滴,在韦伯数(We)为2.7,10,20,30的测试情况下对Janus颗粒球表面进行了碰撞实验.结果表明:液滴碰撞Janus颗粒球表面后的运动可分为铺展、回缩、振荡和回弹4个过程.在不...     

柴油液滴撞击热壁面的动态行为特性

为了分析柴油机内喷雾液滴撞击活塞表面的现象,采用高速相机对柴油液滴撞击加热壁面的动态行为特性进行了研究。结果表明：在壁面温度为25～550℃和韦伯数(We)为25～174的条件下,柴油液滴撞击加热壁面会出现四种行为模式：粘附模式,回弹模式,破碎模式和破碎回弹模式。在粘附模式下,随着壁面温度提高,液滴粘性的降低会使液滴的铺展系数和动态接触角的变化幅度增大。随着We数增大,液滴的惯性力增强,进而形成更大的铺展系数。液滴的回弹行为会在壁面温度超过动态Leidenfrost温度时发生,且动态Leidenfrost温度随We数的增加约从425℃提高至450℃。在回弹模式下,随着We数增大,液滴最大铺展系数和无量纲接触时间显著增大,并结合文献分别总结出适用于多种工质的预测关系式。     

液滴撞击冷铝表面的冻结沉积特性

对单液滴撞击冷表面的动态特性进行试验研究,通过快速可视化观测,分析了直径2.6 mm液滴撞击冷铝表面的冻结行为.结果表明,液滴撞击冷表面动态行为可分为铺展、回缩以及冻结沉积阶段.冻结阶段包括铺展过程冻结以及回缩过程冻结.液滴撞击冷壁面前期(0～3.5 ms),We起主导作用,壁面温度对液滴铺展行为几乎无影响。但壁面温度对液滴回缩及冻结过程影响较大.相同We下,壁面温度T-20℃,液滴最大铺展因子基本相同,达到冻结的平衡态铺展因子均小于最大铺展因子,且随壁面温度降低而逐渐增加,为回缩过程冻结.壁面温度T≤-20℃时,液滴最大铺展因子与平衡态铺展因子相同,为铺展过程冻结。本文试验条件下壁面温度-20℃可作为区分液滴撞击冷壁面铺展与回缩冻结的临界温度.