表面活性剂减阻溶液湍流流动研究进展

与聚合物添加剂相比,表面活性剂具有寿命长,不受机械力和高温影响发生降解的特点,目前被认为是最具有适用价值的减阻添加剂．针对表面活性剂湍流减阻机理,尽管已经开展了大量的实验研究、理论分析和数值模拟,但仍处于探索阶段,尚未定论．文中对目前国内外有关表面活性剂减阻溶液湍流流动的研究如平均速度、湍流强度、雷诺应力和相关系数等湍流统计量以及取得的成果进行了归纳和总结．目前普遍认为阻力减小是由流动垂直方向的湍流强度受抑和脉动速度分量解耦导致雷诺应力极大降低引起的．分析了目前研究存在的问题,对今后继续开展研究提出了自己的观点．      

减阻用表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展

减阻用表面活性剂在能源动力及化工领域有着广泛应用,在管道流体中加入少量表面活性剂可以使流动阻力大大降低从而节约能源,对于表面活性剂减阻机理的讨论也是近些年学者关注的热点之一.本文不仅对课题组前些年在表面活性剂溶液流变性、湍流减阻、减阻与传热的相关性、布朗动力学模拟方面的工作进行了概述,而且详细介绍了近三年来在表面活性剂粗粒化分子动力学模拟方面的研究成果.粗粒化模拟是近年来发展起来的方法,目前已广泛应用于化学、生物等诸多领域.在粗粒化分子动力学模拟方面的工作包括:表面活性剂溶液的流变性能与微观结构、表面活性剂溶液湍流减阻机理研究、湍流减阻失效分析三个部分.通过对表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展的回顾,作者认为,利用粗粒化分子动力学模拟方法可以合理揭示表面活性剂胶束的结构与流变性的对应关系,对胶束的断裂与再连接能力进行多维度的评价,如胶束的拉伸能、断裂能、最大拉伸长度、结合能、$\zeta$电势、疏水基驱动作用等方面.并对"黏弹说"减阻机理进行分子模拟层面的验证,对实际应用中的湍流减阻失效原理进行初步分析.最后,根据对近几年分子动力学模拟工作的总结,展望了未来粗粒化分子动力学模拟在表面活性剂方面的研究方向.      

倾斜壁面浸润性梯度驱动液滴运动过程的格子Boltzmann模型研究

基于介观模型的多组分伪势格子Boltzmann方法,模拟了倾斜壁面浸润性梯度驱动液滴的运动过程,研究了壁面浸润性梯度、壁面倾斜角度对液滴运动过程的影响．结果表明,对于一定倾斜角度的壁面,当壁面上浸润性梯度足够大时,液滴能够克服重力的作用实现“爬坡”;液滴在运动过程中,其前进及后退接触角与当地静态接触角间存在差值;增大壁面浸润性梯度时,液滴能够获得更快的加速,并且前进及后退接触角与当地静态接触角之间的差值也随之增大;增大壁面倾斜角度时,液滴的运动受到阻碍,前进及后退接触角与当地静态接触角的差值小幅减小．     

分离压对波状基底上活性剂液滴铺展过程的影响

针对波状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,引入受活性剂浓度影响的分离压模型,应用润滑理论建立了液滴高度和活性剂浓度演化方程组,通过数值计算方法得到了分离压作用下含活性剂液滴过程的演化特征. 研究表明:分离压作用下的液滴演化时间显著缩短,铺展速率加快,铺展前沿处衍生出的子波结构明显减少,铺展更加稳定;分离压对液滴铺展稳定性的影响与活性剂关联强度密切相关,减小引力强度系数α₁有利于促进液滴的铺展,而减小斥力强度系数α₂则起抑制作用,且放大了液滴的演化扰动能量,致使液滴铺展呈现不稳定特征;增加基底高度D或波数k均使液滴铺展速率减慢.      

表面活性剂溶液中弹性胶束断裂作用下圆柱绕流特征研究

表面活性剂分子溶于水自组装形成的蠕虫状胶束溶液由于其高表面活性和高黏弹性,具有独特的力学响应特性,呈现出与牛顿流体迥异的流动特征。采用考虑溶液中胶束可逆断裂和重构效应的双组分VCM本构方程,研究了溶液流变学特性,发现溶液拉伸应力随应变率呈现出拉伸硬化-稀化-硬化的强非线性特征。研究了蠕虫状胶束溶液绕圆柱流动的特性,在低雷诺数(Re～0.01)下,当维森贝格数Wi>1时,流场出现较强的不稳定性,绕流尾迹区流场呈现随时间波动的特征,通过功率谱分析发现流场波动具有拟周期特征,当胶束断裂引起流体拉伸应力对弹性响应的非线性增强时,流场波动的不规则性增强。圆柱后缘附近出现一对周期性变化的对称涡,表明流体弹性会促进流动分离的发生,流体拉伸应力对弹性变化的强非线性响应是造成低雷诺数绕流流动不稳定性的根本原因,揭示了蠕虫状胶束溶液在低雷诺数高黏弹性时绕流流动不稳定性的产生机理。     

矩形槽道内表面活性剂减阻流体流场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.      

矩形槽道内表面活性剂减阻流体场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁 面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉 动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结 果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅 减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带 特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.     

液滴撞击具有浸润性分布的倾斜固壁铺展行为的格子Boltzmann研究

采用基于单组分多相伪势模型的格子Boltzmann方法,模拟了三维液滴撞击左右两侧浸润性不同的倾斜固壁的铺展过程,获得了液滴在壁面两侧的铺展因子、相对铺展宽度、相对高度和液滴运动速度随时间的变化情况,研究了壁面浸润性分布和壁面倾斜角度对液滴铺展过程的影响．结果表明,液滴在倾斜壁面的铺展过程受到重力和表面力的综合作用,重力影响液滴的铺展和沿壁面向下的滑动,壁面浸润性分布影响液滴向壁面亲水侧横向移动．     

二维微柱阵列壁面对活性剂液滴铺展的影响

针对二维微柱阵列壁面上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度演化模型,采用数值计算方法得到了液滴的铺展特征及相关参数的影响. 研究表明:活性剂液滴在微柱阵列壁面上铺展时,在壁面凸起处衍生出隆起结构,壁面凹槽处衍生出凹陷结构,随时间持续,隆起和凹陷均向两侧移动,且数量不断增加. 活性剂液膜流经凸起时,隆起高度呈驼峰形变化. 增大预置液膜厚度或活性剂初始浓度,铺展区域隆起和凹陷数量增多,液滴铺展速度加快. 增加凹槽深度或减小斜度会使毛细力作用增强,液膜破断可能性加大;增大凹槽宽度可加速活性剂液滴的铺展,加剧液膜表面波动幅度.      

可降解性表面活性剂体系下水平管内气液两相螺旋流实验研究

通过气液两相螺旋流实验仪器,研究具有可降解性的天然椰子油新型添加剂对于气液两相螺旋流流型影响以及流型的转变规律,并与表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)进行对比研究。实验工况设定为:实验介质为空气和水,含气率10%~90%,气相折算速度0.01~4.0m/s,液相折算速度0.01~4.0m/s,表面活性剂采用从植物提取的可降解性椰子油和SDBS,起旋装置为叶轮。实验观察到天然椰子油对于螺旋轴状流、螺旋团状流、螺旋弥散流转换特性的影响与SDBS的效果相类似,该三种流型发生条件相比于以往都有所提前,且存在范围被拓宽。浓度为500ppm时椰子油体系下的主要流型为螺旋弥散流,而SDBS体系下则以螺旋团状流为主。     

粗糙表面上微液滴的数值模拟

本文使用VOF方法将微液滴在粗糙壁面上的接触现象转化为不可压缩两相流动问题,并对其进行三维数值模拟.选择具有柱形突起和槽道两种微结构的壁面进行模拟.计算了不同粗糙系数时液滴在突起结构表面的静止形态和接触角,计算结果和实验数据吻合得较好.和理论模型进行比较,分析了经典模型的适用范围.对于微槽道结构的壁面,计算给出不同方向测量得到的液滴接触角.实现了液滴在倾斜壁面上滑落过程的模拟.液滴沿斜面下滑时,前进角和后退角的变化存在周期性,这一周期性变化和表面粗糙结构密切相关.     

不同界面计算方法对液滴在电场作用下变形数值模拟精度的影响

液滴在电场作用下的变形是电流体动力学的基础课题之一,表面张力的计算精度对液滴变形量的模拟结果有重要影响。本文以开源计算流体动力学平台OpenFOAM的VOF模型为框架,研究了MULES和isoAdvector两类界面更新算法与相分数梯度和RDF函数两类曲率算法对电场作用下液滴变形模拟精度的影响。研究表明,isoAdvector算法相比MULES算法对网格密度的要求更低,但其耦合相分数梯度算法计算表面张力的误差较高。isoAdvector算法耦合RDF函数算法计算误差较低,并且在使用轴对称网格时,只有该算法能够同时处理液滴平行于电场和垂直于电场方向的变形,得到的数值结果与解析解吻合较好。     

非等温粗糙表面液滴撞击特性试验与仿真研究

非等温固体表面液滴碰撞现象广泛存在于航空航天领域机械零部件中,液滴碰撞动力学行为的研究对提升机械零部件传热换热以及润滑性能具有重要意义.为获得液滴在非等温粗糙表面的撞击特性,研究了硅油在金属表面撞击、铺展和回缩的动力学行为,并着重分析了硅油黏度、撞击速度、油滴初始直径、金属表面粗糙度及温度对硅油撞击特性的影响.结果表明,在等温表面,液滴最大铺展直径与撞击速度、基体表面温度及液滴初始直径正相关,与基体表面粗糙度、硅油黏度负相关;当表面粗糙度介于6.3～25μm时,其对液滴最大铺展直径影响较小;在非等温表面,液滴回缩过程中少量液体残留并形成尾迹,且残留尾迹随基体温度升高而愈发明显;随后数值模拟了硅油在非等温粗糙表面的碰撞过程,并揭示了基体温度和表面粗糙度的影响机制.本文中研究成果为理解非等温粗糙金属表面液滴的撞击行为提供了丰富的理论和试验依据.     

表面形貌对滑动接触界面摩擦行为的影响

为了研究表面形貌对拉延形成的滑动接触界面摩擦行为的影响,设计了一种新型的摩擦试验装置.在油润滑条件下,针对具有单向沟槽、规则圆形凹坑和随机表面的铝合金试样,以不同滑动速度与接触压力进行一系列摩擦试验.利用非接触式三维轮廓仪测量出试验前后试样的三维表面形貌参数,并选取表面高度算术平均偏差Sa,表面支承指数Sbi,中心区空体体积Vvc和谷区空体体积Vvv来分析滑动接触界面表面形貌的变化规律.结果表明:规则圆形凹坑表面比单向沟槽表面和随机表面具有较低的摩擦系数;在相对低的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而减小,但在高的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而增大;在接触压力一定的情况下,3种表面的摩擦系数对滑动速度有显著依赖性;表面形貌、滑动速度和接触压力是影响滑动接触界面摩擦行为的重要因素.     

毛细管出口表面活化剂包覆液滴形成过程研究 1)

本文研究了竖直毛细圆管出口表面活化剂包覆液滴的形成过程。基于泰勒展开和润滑近似理论, 建立了液滴形成过程的一维动力学模型,并且通过坐标变换和有限差分的方法进行了数值求解。结果显示, 液滴自由面上表面活化剂包覆层可促进液滴颈部断裂,加快液滴头部与尾部锥形区的分离过程。与此同时, 还可增大颈部断裂前液滴下落的极限位移。与表面活化剂的活性相比, 液滴自由面上表面活化剂浓度的变化对液滴形成过程以及液滴形貌变化的影响更为显著。     

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...     

基于表面力模型的液滴冲击弹性基底SPH模拟

采用光滑粒子动力学SPH方法建立液滴冲击弹性基底的流固耦合数值模型,给出描述粘性流体和弹性固体运动的SPH离散方程和数值处理格式,引入人工耗散项来抑制标准SPH方法的数值震荡。为模拟液滴的表面张力效应,通过精确检测边界粒子,采用拉格朗日插值方法计算表面法向量和曲率,结合界面理论中的连续表面力CSF方法,建立了适用于自由表面液滴的表面力模型,方形液滴变形的模拟结果与拉普拉斯理论解吻合较好。随后,采用SPH流固耦合模型模拟1.0 mm直径水滴以不同速度(0.2 m/s～3.0 m/s)冲击两种薄板型基底,分析了基底弹性变形对液滴铺展、收缩以及回弹行为的影响。     

表面形貌变形对塑性成形滑动接触界面摩擦的影响

为了更好地理解塑性成形滑动接触界面的摩擦行为,构建了一种新型的摩擦试验装置,运用表面纹理化技术制备了两类表面形貌的1050铝材试件,在不同的接触压力和滑动速度条件下进行一系列拉伸摩擦试验.对试验前后试件三维表面形貌进行了测量;提取真实接触面积比、封闭空体面积比和开放空体面积比等三维表面参数,来描述试件表面形貌的变化.试验发现:摩擦系数随名义接触压力和滑动速度增加而逐渐减小;试件初始表面形貌对摩擦有明显的影响;试件表面形貌和参数随接触条件出现了规律性变化.基于机械流变模型的分析表明:随着试件表面形貌变形,不同的机理决定界面摩擦行为,摩擦系数对名义接触压力和滑动速度的依赖性可分别归因于微观塑性流体动压润滑效应和入口区流体动压牵引效应.     

标准超声振动气蚀孕育期内材料响应与表面形貌

材料在气蚀孕育期内仅发生极轻微的磨损,但以弹/塑性变形和晶粒拔出等方式对气蚀做出响应,具体的响应方式则随材料种类而不同.通过对孕育期内材料响应和磨损表面形貌的研究,探索不同材料响应与磨损表面形貌的关系,从而建立以表面粗糙度测量和光学显微镜观察等方式进行材料孕育期的研究.本文在标准超声振动气蚀试验机上进行了纯铜、镍基合金Hastelloy C-276和Sialon陶瓷共三种材料的气蚀试验,着重考察了它们在各自孕育期内的表面粗糙度参数（表面粗糙度R_a和核心粗糙度深度R_k）以及蚀坑面积比的变化.研究结果表明：纯铜和Hastelloy C-276在孕育期内主要以塑性变形为主.R_k不仅可以更好地反映孕育期乃至整个气蚀过程的材料表面形貌变化,还能反映不同金属在孕育期内塑性变形的程度.Sialon陶瓷在孕育期内以新蚀坑的形成为主,伴随着少量蚀坑的长大,蚀坑面积比很好地表征了陶瓷材料孕育期的变化.