液滴超声速气动破碎初期界面不稳定性

针对液滴破碎问题,获得并揭示两相界面演化特征机理.采用数值模拟方法,观察了超声速条件下的液滴气动破碎初期的界面不稳定性.基于数值模拟结果和线性稳定性理论,综合分析表明,Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性均对源于驻点和外环之间中段附近处的主导扰动产生作用.保持其他流动特性不变,降低K-H不稳定性的影响,对数值模拟进行了专门改进,进一步验证了前述结论.      

液滴在气流中破碎的数值分析

液滴的破碎是液体抛撒、破碎和雾化中的一个非常重要的阶段,它直接影响到最终的液滴的尺寸和散布。为了揭示液滴破碎的机理和影响破碎的因素,本文通过应用VOF方法和湍流模型对液滴在气流中的破碎过程进行了数值计算。数值计算得到了与国外实验研究相一致的液滴破碎形状。并根据数值计算的结果,分析了几个特征参数对液滴破碎过程的影响。     

基于单液滴实验的闪沸喷雾二次破碎机理研究

为了深入研究闪急沸腾喷雾二次破碎即大尺度液滴的破碎机理,本课题以甲醇和乙醇两种燃料为研究对象,利用特殊设计的过热液滴发生器,通过显微阴影成像技术捕捉并分析处于闪沸状态过热液滴的宏观形态、内部空隙率及其破碎特性,研究表明:甲醇及乙醇两种燃料的过热液滴形态主要受液滴温度和过热度影响,而当过热度增加时,液滴内空隙率逐渐增加,从而显著降低了液滴的表面张力。此外,当过热度达到250C时,过热液滴内部空隙率超过50%从而发生剧烈破碎,伴随产生大量小尺度液滴,标志着闪沸喷雾二次破碎模式由传统的机械破碎模式向热力学破碎模式的转变。同时结果表明对于两种实验燃料,过热液滴破碎的临界过热度及对应的空隙率数值基本不变。     

气溶胶抛撒过程中首次破碎液滴的尺寸分布

对气溶胶爆炸抛撒过程中,首次破碎液滴的尺寸分布进行理论和数值研究.基于热力学第二定律的最大熵增理论,建立首次破碎过程满足的方程组约束条件,给出破碎后液滴尺寸分布的确定方法,并对Air-blast喷管实验和Samirant相关实验进行数值模拟预测,与实验数据符合较好.     

层流气体雾化制粉工艺粉末形貌及雾化机理

层流气体雾化制备的金属粉末具有粒径较小且粒度分布窄的优点,目前对层流气体雾化的研究主要集中在工艺参数对雾化效果和粉末特性的影响,其雾化机理仍不完全清楚.本文通过数值模拟和实验分析,系统地研究了层流气体雾化过程中的雾化气体流场、一次雾化和二次雾化机理以及最终的粉末颗粒形态.采用标准k-e湍流模型,研究了基于De Laval喷嘴的层流雾化单相气体流场,流场呈"项链"状结构,并伴有斜激波的膨胀波团.采用耦合水平集-体积分数法研究了一次雾化和二次雾化机理,并通过雾化实验得到了凝固碎片和粉末,验证了该模型的有效性,数值模拟结果也为层流气雾化制粉技术的实际应用和具体工艺提供了重要参考.研究表明,液柱周围的熔体主要以细丝或韧带的形式剥离,这显示出了增压低维度雾化的特点.二次雾化过程中球形液滴主要基于Rayleigh-Taylor不稳定变形和Sheet-Thinning破碎模式分解破碎,丝状熔体则主要以曲张波表面发生扰动从而引起波谷处破裂的方式进行破碎.     

基于大密度差多相流SPH方法的二维液滴碰撞数值模拟

该文结合了Ott提出的修正连续性方程和Adami改进的动量方程, 对空气中的液滴碰撞问题进行了二维数值模拟. 为有效提高计算精度, 推导了适用于大密度差多相流的人工黏性和人工应力方程. 通过表面张力作用下方形液滴自然变化和空气中两液滴互溶的算例, 验证了算法的有效性; 对不同韦伯数 (8.8, 19.8)、不同碰撞参数 (0, 0.5)下的液滴碰撞过程进行了数值模拟, 并与VOF方法对比,取得了较为一致的结果; 进一步计算多个韦伯数、多个碰撞参数下的液滴碰撞, 得到了空气中二维液滴碰撞结果分布图,与实验结果相符合. 结果表明, 该算法对于求解涉及大密度差多相流的液滴碰撞破碎问题十分有效,而且该方法容易拓展到三维, 从而为进一步模拟火箭发动机的二次雾化过程奠定了基础. 关键词： 光滑粒子流体动力学 大密度差 多相流 液滴碰撞     

双乳液液滴形变及破碎特性

本文基于VOF（Volume of Fluid）相界面追踪方法,建立了不可压缩W₁/O/W₂双乳液液滴动力学模型并进行了数值求解,模拟了双板平行剪切流条件下液滴在流场中的稳定变形与破碎过程。研究结果表明:液滴的稳定变形程度随着毛细数的增大而加剧,且双乳液内液滴的变形程度要明显小于液滴整体变形程度;液滴雷诺数为0.05时,存在一个0 57～0.58之间的临界毛细数,当液滴毛细数小于临界毛细数时,液滴只发生稳定变形,反之则发生破碎。     

壁面吸附复合液滴的变形与运动特性

流动作用下壁面吸附复合液滴可呈现不同的动力学状态,了解其动力学状态转变及参数影响规律是操控液滴运移的关键.本文基于Front-tracking Method结合广义Navier边界条件建立了能够模拟移动接触线问题的数值方法。主要考察了层液滴毛细数、内层液滴大小、内层液滴毛细数对接触角滞后壁面吸附复合液滴动力学特性的影响。研究发现:外层液滴毛细数越大、内层液滴毛细数越小且内层液滴体积越大,复合液滴更容易从壁面脱附或被流体剪切发生破碎.     

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     

液滴撞击壁面铺展及换热过程数值模拟

基于喷雾冷却时液滴撞击壁面现象,本文采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法对不同工况下单液滴撞壁过程进行数值模拟,获得了单液滴撞击热壁面动态特性;分析了初始速度、液滴直径等初始参数对液滴撞壁后的动态铺展规律以及壁面换热特性的影响规律,获得了上述参数变化时液滴铺...     

超声波电喷推力器羽流中和特性研究

超声波电喷推力器主要应用在小卫星(10 kg)平台,为解决该类型推力器的羽流在中和过程中产生的推力偏角以及能效低的问题,对超声波电喷推力器的羽流中和过程进行数值研究.为实现电喷推力器羽流特有物理过程的仿真,建立了一种带电液滴中和模型(NECD模型),对电子-正电液滴的中和过程进行捕捉,包括带电粒子的输运过程、电子液滴碰撞过程以及液滴的破碎与重组等过程;为验证模型的可行性和精度,开展推力测量和羽流高速照相试验,以工况相同试验和仿真结果进行对比.结果显示,该模型的综合计算误差在20%左右,在不同工况下可以和试验值形成趋势上的符合.基于该计算模型,对放电功率为2 W、放电电流为2 m A的超声波电喷推力器进行羽流输运过程的数值模拟,获得表征羽流中和特性的几种参数分布,包括数密度、电荷密度、液滴体积大小等,并统计出各类能耗所占比例,解释了推力偏角和能效低问题的内在机理以及为相应优化提供参考.     

非牛顿流体液滴袋状破碎的数值模拟研究

本文利用简化的水平集–流体体积耦合算法(S-CLSVOF)及自适应网格加密技术,对非牛顿流体液滴袋状破碎过程进行三维数值模拟。基于Herschel-Bulkley型非牛顿流体模型,计算分析了在不同韦伯数下液滴袋状破碎的形变程度、气液界面发展过程及曳力系数变化趋势。结果表明:在低奥内佐格数下的液滴袋状破碎过程中,非牛顿流体相较于牛顿流体在破碎后出现了较为明显的液丝。而随着韦伯数增大,非牛顿流体液滴在流向与径向上的形变程度加剧,曳力系数增大,气液界面变化显著。     

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.     

液滴冲击无限大液面过程的边界元模拟

液滴冲击液面现象在自然界和工农业生产中极其普遍,如雨滴冲击水体表面、喷淋冷却及高温液滴破碎等。本文采用理想小可压缩势流模型,利用边界元方法对液滴冲击同种液体的无限大液面现象做了数值模拟研究,同时考虑到了重力和表面张力的影响。本义所采用的边界元方程在计算过程中可以忽略其弱奇异性。     

液滴碰撞液膜润湿壁面空气夹带数值分析

采用复合水平集-流体体积法并综合考虑传热及接触热阻的作用, 对液滴碰撞液膜润湿壁面空气夹带现象进行了数值分析. 揭示了夹带空气形成机理, 探索了夹带空气特性参数随碰撞速度和液膜厚度的变化规律, 获得了夹带空气作用下液滴碰撞润湿壁面的传热机理. 研究结果表明: 撞壁前气液两相压力差是引起气液相界面拓扑结构变化以及夹带空气形成的主要原因; 液滴碰撞速度与压缩空气层内压力以及相界面形变高度密切相关; 液滴接触液膜时, 碰撞轴上液滴底部和液膜表面速度相等, 大约是碰撞速度的1/2; 碰撞速度对夹带空气层底部到破碎点的无量纲弧长和最大无量纲夹带空气直径均存在较大的影响; 液滴和液膜的无量纲形变高度与斯托克斯数密切相关; 液膜初始厚度对液滴和液膜的无量纲形变高度和最大无量纲夹带空气直径影响较大; 撞壁初始阶段, 碰撞中心区域夹带空气对壁面热流密度分布存在较大的影响.     

基于范德瓦尔斯表面张力模式液滴撞击疏水壁面过程的研究

液滴撞击疏水壁面过程的研究在介观流体力学和微流体作用材料科学的研究中具有重要的理论意义和工程价值. 论文在SPH方法中引入范德瓦尔斯状态方程处理液滴表面张力, 考虑流体粒子之间远程吸引, 近程排斥的内部作用力, 提出了流体粒子与疏水壁面粒子间势能函数与表面张力相结合的作用模式. 通过模拟真空条件下两个静止的等体积液滴相互融合的过程, 验证了计算模式在模拟液滴的表面张力中的有效性. 采用该模式模拟的液滴撞击疏水壁面过程, 不仅能够有效地模拟液滴撞击壁面后的变形过程, 而且清晰地模拟出液滴的回弹、腾空以及二次撞壁现象的完整过程. 模拟结果与液滴撞击疏水壁面的实验结果以及VOF模拟结果符合较好, 表明本文所提出的表面张力和疏水壁面作用力处理模式对模拟液滴撞壁过程具有实际应用价值.     

超声速气流中液体横向射流雾化过程数值模拟

为了更加深入了解超燃冲压发动机燃烧室中的燃料雾化机理,对来流Mach数为1.94的超声速气流中液体横向射流的雾化过程进行了数值模拟研究.计算采用Euler-Lagrange方法,液滴二次破碎模型采用K-H/R-T模型.计算结果表明:考虑液滴二次破碎时,采用雾化锥模型获得的射流穿透深度以及液滴速度分布与实验结果符合得很好...     

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.     

滴状凝结全过程液滴尺寸分布数值模拟

研究液滴在冷凝表面的尺寸分布特征,不仅有助于了解冷凝表面换热机理,同时也为疏水表面的设计提供参考依据。本研究中,借助于液滴生长、合并和脱落全过程的数值模拟方法,研究液滴凝结核密度和液滴脱落尺寸对液滴尺寸分布的影响。模拟中采用热阻模型对液滴生长进行描述,利用链表搜索算法加速液滴聚合及新凝结核确定的搜索过程,再现大液滴脱落和表面清扫过程。模拟结果与实验结果及理论模型吻合良好。模拟结果表明,随着凝结核密度增大,小液滴数密度相对增加,液滴平均半径减少;随着液滴脱离半径减小,液滴尺寸范围减小,液滴尺寸分布整体升高。     

微尺度下锥形微操作探针表面液滴形成的研究（英文）

基于液滴的转移方法可实现微操作任务中微对象的拾取,锥形操作探针则常作为一种毛细力微操作执行工具。主要研究在空气冷凝模式下锥形探针端面的液滴形成。建立了微液滴形成的数学模型,主要包括初始液滴的形成、液滴的合并和液滴的移动,研究了影响操作液滴的关键参数,分析表明:过冷度决定最小液滴半径。对单液滴的生长机制进行理论分析,并通过数值求解的方法模拟了锥形操作探针端面的液滴形成。搭建实验测试平台,实验研究了微尺度下锥形微操作探针端面的液滴形成。实验结果表明:在空气冷凝模式下,操作探针端面能够形成微液滴。经过初始液滴的形成,液滴的合并和移动等过程最终可形成稳定的微液滴,且不同锥顶角下液滴的形成呈现多样化。