液滴撞击超疏水壁面反弹及破碎行为研究

液滴撞击壁面时,壁面亲水性对液滴撞击壁面后的变化历程具有重要的影响。利用相界面追踪的复合Level Set-VOF方法对液滴撞击超疏水壁面的运动进行了研究。研究结果表明,撞击速度较小时,液滴撞壁后发生反弹;撞击速度较大时,液滴撞壁后会发生破碎现象;初始粒径的增大和表面张力的减小,有利于液滴撞壁后产生铺展破碎现象;撞击角度对撞壁后的液滴行为具有较大的影响。通过数值模拟,给出了一定条件下液滴垂直及倾斜撞击超疏水壁面反弹及破碎的临界条件。     

黏弹性液滴撞击超疏水表面的反弹行为研究

水滴撞击超疏水表面后通常会发生完全反弹. 大量研究表明, 通过在液滴中添加少量聚合物可有效抑制水滴的撞击反弹行为. 尽管该方法已被广泛应用于工农业生产中, 但对黏弹性液滴撞击反弹行为的抑制机理认识仍不够全面. 采用高速摄影技术, 开展了聚氧化乙烯(PEO)水溶液液滴撞击不同微纳复合结构超疏水表面的实验研究. 研究结果表明: 添加高分子可增强流体的黏弹性及其与表面的黏附作用, 因而完全反弹行为仅发生在低PEO浓度液滴的撞击实验中, 且随着超疏水表面微结构间距的增大, 发生完全反弹的上限和下限韦伯数阈值均减小. 在低韦伯数反弹区域, 撞击液滴始终处在微结构顶部, 因而接触时间随韦伯数的增加而减小, 这与平整超疏水表面上的现象相似; 在高韦伯数反弹区域, 液体会部分浸润微结构表面, 因而接触时间将随韦伯数的增加而增加. 此外, 所有反弹液滴的恢复系数随韦伯数的增加呈线性下降趋势, 且下降速率随微结构间距的增大而减缓. 基于界面力学和能量转换分析, 对实验中观测到的黏弹性液滴撞击反弹动力学行为给予了定性解释.     

过冷水滴撞击螺旋桨桨叶表面的数值模拟

本文介绍了某型螺旋桨在不同飞行状态下.求解桨叶水滴撞击特性的数值方法.该方法对桨叶运动模型进行简化,并在对绕桨叶运动的气流场计算的基础上,采用拉格朗日方法求解气流场中水滴运动方程,得到水滴运动轨迹.进而,确定了水滴对桨叶的撞击特性参数,为桨叶防冰系统设计提供条件.主要结论如下:(1)在巡航状态下,桨叶沿展向方向上总收集系数Em和局部收集系数β不断增大;(2)在爬升状态下,随着爬升高度H不断增大,飞行速度V0不断增大,水滴撞击在桨叶表面的范围有所增加,而且β随之增大;(3)随着水滴平均有效直径(MVD)的增大,水滴撞击在桨叶表面的范围明显增加同时,β在桨叶表面同一位置的值也随之增大.     

三维圆柱水滴撞击特性分析

发展了三维欧拉法水滴撞击程序,通过分析其中扩散系数值对结果的影响得出：扩散系数取值为0.001时本文计算结果与文献结果和实验值最接近。通过文献中2个算例进行了验证：三维圆柱算例中本文计算结果与文献中最大水滴收集系数相差3%,撞击极限相差7%;三维圆球算例中最大水滴收集系数相差1%,撞击极限相差6.5%。这表明此方法与文献中结果和实验结果吻合良好。利用欧拉法对三维圆柱的水滴撞击特性进行了数值模拟,分析了圆柱直径、来流速度、水滴直径对三维圆柱水滴撞击的影响。结果表明：相同条件下撞击极限随着圆柱直径增大而增大,最大水滴收集系数随着圆柱直径的增大而减小;撞击极限和最大水滴收集系数随着来流速度的增大而增大;来流速度越大,最大水滴收集系数增加幅度减小;撞击极限和最大水滴收集系数随着水滴直径的增大而增大;水滴直径越大,最大水滴收集系数增加幅度减小。     

微结构超疏水表面的制备及其对液滴撞击动力学的影响

水滴撞击超疏水表面后通常会发生完全反弹. 大量研究表明, 通过在液滴中添加少量聚合物可有效抑制水滴的撞击反弹行为. 尽管该方法已被广泛应用于工农业生产中, 但对黏弹性液滴撞击反弹行为的抑制机理认识仍不够全面. 采用高速摄影技术, 开展了聚氧化乙烯(PEO)水溶液液滴撞击不同微纳复合结构超疏水表面的实验研究. 研究结果表明: 添加高分子可增强流体的黏弹性及其与表面的黏附作用, 因而完全反弹行为仅发生在低PEO浓度液滴的撞击实验中, 且随着超疏水表面微结构间距的增大, 发生完全反弹的上限和下限韦伯数阈值均减小. 在低韦伯数反弹区域, 撞击液滴始终处在微结构顶部, 因而接触时间随韦伯数的增加而减小, 这与平整超疏水表面上的现象相似; 在高韦伯数反弹区域, 液体会部分浸润微结构表面, 因而接触时间将随韦伯数的增加而增加. 此外, 所有反弹液滴的恢复系数随韦伯数的增加呈线性下降趋势, 且下降速率随微结构间距的增大而减缓. 基于界面力学和能量转换分析, 对实验中观测到的黏弹性液滴撞击反弹动力学行为给予了定性解释.

     

数值模拟过冷水滴撞击翼型表面的收集特性

为了研究过冷水滴撞击翼型表面的收集特性,本文采用欧拉两相流法建立了气流控制方程和水滴运动控制方程,并采用有限体积法对方程进行了求解。为了使水滴体积分数在数值迭代过程中保持为正值,本文在水滴控制方程中引入了一个变量A,使得迭代过程更加平稳。求解水滴控制方程,并得到了翼型表面的水滴收集特性。对过冷水滴撞击翼型表面的收集特性进行了研究,在平均水滴直径不同的情况下,将单尺寸分布与多尺寸分布情况下的局部收集系数进行了对比;发现:局部收集系数在驻点附近比较一致,随着离驻点的距离越来越大,局部收集系数产生偏差;多尺寸分布的水滴撞击极限远大于单尺寸下的计算值。同时本文还讨论了过冷水滴的大小对局部水收集系数和撞击极限的影响,发现平均水滴直径越大,局部水滴收集系数和撞击区域越大。     

椭球液滴撞击超疏水表面反弹过程数值分析

液滴在自由落体或受外力作用时常发生椭球形变,对其撞击超疏水壁面的运动形态及形成二次液滴有较大影响.本文假定具有不同轴向半径比值(AR)的椭球形液滴,采用耦合水平集-体积分数(CLSVOF)方法对椭球形液滴撞击超疏水平壁面进行数值模拟研究,对椭球形液滴撞击超疏水平壁面反弹过程运动形态和AR对二次液滴形成的影响进行分析.研...     

大水滴撞击翼型后的破碎过程研究

针对大水滴撞击翼型壁面问题,通过引入表面张力系数和壁面接触角,建立了二维计算模型;采用水平集法从微观角度研究了水滴撞击翼型的过程.数值模拟结果表明:低速环境下气动力和表面张力是影响水滴变形的主要因素.大水滴主要撞击在翼型前缘点及吸力面,S801、S802、S803、S804四种翼型中S803翼型抗结冰能力最好,S804...     

液滴撞击不同粗糙度固体表面动力学行为实验研究

液滴振荡行为是液滴运动中的重要伴随现象,具有重要科研价值.由于液滴撞击疏水沟槽板时运动行为与光滑表面明显不同,可以推测疏水沟槽表面液滴振荡特性也将会呈现与众不同的行为特点.采用高速摄像技术,研究了矩形疏水沟槽表面上水滴高度和接触线振荡行为随沟槽尺寸和撞击速度的变化规律.结果发现,矩形疏水沟槽造成的各向润湿异性使得振荡过程中水滴在平行沟槽方向上的接触线长度大于垂直方向,但并不影响水滴高度方向上衰减振荡的周期,即水滴振荡周期与沟槽间距无关;同时由于疏水沟槽表面上存在能垒束缚效应,致使水滴振荡过程中接触线的铺展和回缩运动不服从典型阻尼振荡规律,而呈现振荡数次后直接趋稳的特点.如水滴以0.61 m/s撞击时,接触线经历2次振荡后即维持稳定,但此时水滴仍在持续振荡中.另外,还初步分析了水滴振荡周期与沟槽间距无关的原因.     

超疏水沟槽表面通气减阻实验研究

减阻是解决航行体提速和增程的主要技术途径之一, 对缓解日益严峻的能源危机极为重要. 在重力式管道实验系统中, 测试给出了湍流状态下不同通气速率时减阻率随雷诺数及沟槽无量纲间距的变化规律和气膜铺展状态, 对比分析了单纯超疏水表面与超疏水沟槽表面上通气时减阻效果的差异.实验板材质为无色亚克力, 沟槽结构采用机械方法加工, 并在表面喷涂超疏水涂层. 结果表明, 持续通气能解决超疏水沟槽表面气膜层流失问题, 实现气膜层长时间稳定维持; 恒定雷诺数下, 随通气速率增大, 超疏水沟槽表面气膜铺展更趋均匀, 减阻率上升; 由于通气速率影响气膜横向扩展能力, 致使恒定通气速率下, 减阻率随雷诺数的变化呈现两种模式; 在固定雷诺数及通气速率时, 减阻率随沟槽尺寸的扩大先增后减, $S^{+}approx 76$时减阻率最大. 分析其原因在于, 沟槽结构增大沾湿面积的同时, 显著提升了通气状态下超疏水表面气膜层的稳定性, 因而展示出与超疏水表面和沟槽表面均不相同的减阻规律, 且效果更佳.     

Numerical study on dynamic characteristics of double droplets impacting a super-hydrophobic tube with different impact velocities

ABSTRACT

The coupled level set and volume of fluid method is applied to the numerical study on the successive impact of double droplets on a super-hydrophobic tube. The impact velocity varies from 0.25 to 2?m/s. These impact processes present spread, retract, rebound, breakup and splash. The out-of-phase impact takes place with the impact velocity from 0.25 to 1.25?m/s, while the in-phase impact takes place with the impact velocity from 1.44 to 2?m/s. With the impact velocity larger than 1.25?m/s, the liquid crown presents and deforms after the trailing droplet impact, then it would gather at the film edge, rebound or break up. When impact velocities range from 1.44 to 1.5?m/s, the finger liquid film presents before the liquid crown appearing. The finger head breaks with the impact velocity of 1.5?m/s during the leading droplet spreading. The zigzag liquid film becomes more obvious for larger velocities.     

液体环轴对称抛撒首次破碎的实验研究和稳定性分析

首次破碎是液体抛撒、破碎过程中一个非常重要的阶段．本文提出了一种新的实验设备,并通过在这套实验设备上的一系列实验,得到了在不同激波马赫数、不同的液体种类和不同的抛撒容量下液体首次破碎过程的照片．实验结果表明,在确定的抛撒条件下,液体环的失稳,即不稳定的发生、发展并最终导致液体环破碎的过程,是由于液体环运动的加速度改变方向而引起的     

轴对称液体环的形成、变形和破碎的研究

为了实现液体环的轴对称径向扩展运动,提出了一种新的实验方法及设备。这种新的实验设备是由垂直的无膜激波管和液体环发生器所组成,可以用来观察轴对称液体环的形成、变形和破碎过程。轴对称液体环抛撒过程的实验研究已在这种实验设备上完成,并得到了相应的一系列流场照片。对实验结果的分析表明,液体表面的不稳定性是造成液体环破碎的主要原因。     

黏性牛顿流体液滴撞击干燥或预湿网面的实验研究

液滴撞击网面现象广泛存在于自然界和一系列应用中, 液滴撞网后会穿透破碎产生二次液滴或不破碎全部附着在网面上, 两种情况下都会残留液体在网面而形成预湿, 影响后续撞击结果, 但前人研究集中于低黏性液滴撞击干燥网面, 黏性牛顿流体液滴撞击干燥或预湿网面的演化与机理仍有待探索. 文章采用高速阴影成像技术, 研究了黏性液滴(甘油水溶液)撞击干燥和预湿网面形成液指和破碎的演化规律, 考虑了网面结构尺寸、液滴黏性及撞击前网面上预湿液膜厚度对撞击结果的影响. 实验结果表明, 液滴撞击干燥网面后形成液指的最大长度随网孔宽度降低、液滴黏性增加而减小; 液滴黏性增加、网孔宽度减小均会抑制液滴对干燥网面的完全穿透; 预湿液膜高度的增加抑制液滴对网面的完全穿透, 并使不完全穿透时形成液指的最大长度减小. 建立了考虑液滴黏性、网孔宽度和网面预湿的液滴撞击网面后不完全穿透时形成液指的最大长度预测模型, 以及出现完全穿透时的临界参数理论预测模型, 模型预测结果均与实验结果吻合良好.     

Nonlinear instability of an annular liquid sheet exposed to gas flow

Nonlinear instability and breakup of an annular liquid sheet has been modeled in this paper. The liquid sheet is considered to move axially and is exposed to co-flowing inner and outer gas streams. Also, the effect of outer gas swirl on sheet breakup has been studied. In the developed model a perturbation expansion method has been used with the initial magnitude of the disturbance as the perturbation parameter. This is a comprehensive model in that other geometries of planar sheet and a coaxial jet can be obtained as limiting cases of very large inner radius and inner radius equal to zero, respectively. In this temporal analysis, the effect of liquid Weber number, initial disturbance amplitude, inner gas-to-liquid velocity ratio, outer gas-to-liquid velocity ratio and outer gas swirl strength on the breakup time is investigated. The model is validated by comparison with earlier analytical studies for the limiting case of a planar sheet as well as with experimental data of sheet breakup length available in literature. It is shown that the linear theory cannot predict breakup of an annular sheet and the developed nonlinear model is necessary to accurately determine the breakup length. In the limiting case of a coaxial jet, results show that gas swirl destabilizes the jet, makes helical modes dominant compared to the axisymmetric mode and decreases jet breakup length. These results contradict earlier linear analyses and agree with experimental observations. For an annular sheet, it is found that gas flow hastens the sheet breakup process and shorter breakup lengths are obtained by increasing the inner and the outer gas velocity. Axially moving inner gas stream is more effective in disintegrating the annular sheet compared to axially moving outer gas stream. When both gas streams are moving axially, the liquid sheet breakup is quicker compared to that with any one gas stream. In the absence of outer gas swirl, the axisymmetric mode is the dominant instability mode. However, when outer gas flow has a swirl component higher helical modes become dominant. With increasing outer gas swirl strength, the maximum disturbance growth rate increases and the most unstable circumferential wave number increases resulting in a highly asymmetric sheet breakup with shorter breakup lengths and thinner ligaments.