水滴撞击结冰过程的分子动力学模拟

利用三维分子动力学模拟方法,研究了纳米尺度水滴撞击冷壁面的结冰过程.数值模拟中,统计系统采用微正则系综,势能函数选用TIP4P/ice模型,温度校正使用速度定标法,牛顿运动方程的求解采用文莱特算法,水滴内部结冰过程则通过统计垂直方向水分子温度分布来判定.研究发现,当冷壁面温度降低时,水滴完全结冰的时间减小,但水滴降至壁面温度的时间却增大;同时随着壁面亲水性降低,水滴内部热传递速度减慢(尤其是冷壁面与水滴底端分子层间),水滴内部温度趋于均匀,但水滴完全结冰时间延长.     

过冷水滴碰撞结冰的实验与模拟研究

以宏观结冰/霜过程中过冷水滴的碰撞结冰现象为背景,实验对比了亲水和超疏水表面上常温水滴碰撞、常温水滴碰撞结冰和过冷水滴碰撞结冰的过程,建立了过冷水滴碰撞结冰过程的数值模型,研究了We数和接触角对碰撞结冰的影响。结果表明:相比于常温水滴的碰撞及其碰撞结冰过程,过冷水滴碰撞结冰过程的稳态铺展系数更大;随着过冷度和We数的增大以及接触角的减小,过冷水滴的碰撞结冰与常温水滴的碰撞在水滴形态和铺展系数上的差异逐渐增大。     

三维机翼表面水滴撞击特性计算

系统研究机翼结冰计算中水滴轨迹和撞击特性的计算方法,将网格扇形分区和单元拓扑结构思想应用于水滴轨迹计算,引入欧拉法、预估-校正、四步Runge-Kutta法离散求解水滴运动方程.基于三维NACA 0012机翼模型,讨论水滴所在位置判断、速度插值和表面收集系数的计算方法,分析方程离散格式、水滴释放位置对计算结果的影响.采用三维机翼计算收集系数分布,并与试验结果进行对比,分析水滴直径对收集系数的影响;最后,将水滴计算模块DROP3D集成于结冰软件计算平台,计算不同工况参数下,机翼表面的气流流场和水滴撞击特性及结冰冰形,进-步验证程序的运行性能.     

合成双射流控制机翼水滴撞击特性

在低速来流条件下,针对前缘位置嵌有合成射流/合成双射流激励器的机翼的水滴撞击特性开展了数值模拟研究,基于Fluent软件,采用Euler气液两相模型和欧拉壁面液膜（Eulerian wall film,EWF）模型,得到的计算结果表明:在合成射流或合成双射流的主动控制下,阻挡了机翼前缘等积冰重点防护区域内的水滴撞击,从而大幅降低了该区域的结冰强度.其机理是:在高频合成射流的作用下,机翼前缘上游附近形成了一对稳定的闭合回流区,形成了水滴的"真空区域".由于回流区内部水滴速度和质量分数较低,改变了机翼前缘水滴运动轨迹和水滴收集率分布,能够减少机翼前缘结冰程度并改变冰形,起到了虚拟气动外形的作用.      

小液滴撞击壁面传热特性数值分析

小液滴撞击壁面现象在喷雾冷却等领域都有广泛应用.为研究小液滴(微米)撞击热壁面(非沸腾区)传热过程,建立了二维液滴撞壁瞬态模型,并采用相场方法对小液滴换热过程中对流热通量和导热热通量的大小进行了对比.研究结果表明:液滴撞击壁面初期形成冷斑,有利于小液滴与壁面的传热;小液滴撞击壁面过程中热通量峰值存在于三相接触点附近...     

水滴结冰结霜及合成双射流的防霜防冰实验

对水滴结冰结霜过程及合成双射流作用时水滴结冰结霜过程分别进行了实验研究.实验中将半导体制冷片作为实验板将温度从室温降低到-30℃,采用电子显微镜观测无合成双射流和开启合成双射流作用的水滴凝固结冰结霜过程.结果显示:水滴从下部向上逐渐凝固,并且水滴表面凝固速度大于内部凝固速度.由于水凝固为冰,密度减小、体积增大,使得水滴形态改变,顶端突出,变成锥形.由于合成双射流强迫产生对流换热,凝固水滴不会像无激励器作用时在表面生成针叶状的霜,而是在水滴表面均匀形成一层白色的颗粒状霜.随着时间推移,霜的厚度并没有增加,并且水滴的高度降低,凝固水滴的锥形尖端逐渐变得平坦,水滴与冷板平面的接触面积增加.      

高炉渣熔融液滴撞击壁面行为特性实验研究

针对高温熔渣粒化技术的开发,本文通过可视化实验研究了高炉渣熔融液滴撞击不锈钢壁面的动态行为特性。结果表明:随液滴雷诺数增大,撞击过程液滴形态演变模式依次由铺展-回缩转变为铺展-回缩破碎和铺展-破碎-凝固;增大壁面粗糙度可减弱与壁面换热,抑制液滴铺展;减小壁面粗糙度促进液滴发生破碎;液膜回缩过程普遍出现回卷现象,壁面倾角越大,液膜回卷和液滴滚动现象越显著,且液滴铺展面积越大,在壁面停留时间越长;减小液滴雷诺数、减小壁面粗糙度并采用垂直粒化仓壁面有利于壁面防黏结。     

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.     

Effect of the liquid temperature on the interaction behavior for single water droplet impacting on the immiscible liquid

The interaction of single water droplet impacting on immiscible liquid surface was focused with the temperature varying from 50 ℃ to 210 ℃. The impact behavior is recorded with a high-speed camera running at 2000 frames per second. It is found that droplet diameter, oil temperature, and Weber number have important influences on impact behaviors. Three typical phenomena, including penetration, crater-jet, and crater-jet-secondary jet, were observed. Penetration only occurs when the Weber number is below 105. With Weber number increasing to 302, the jet begins to appear. Moreover, to gain deeper physical insight into the crater formation and jet formation, the energy of droplet impingement onto the liquid pool surface was estimated. The oil temperature has a significant effect on the energy conversion efficiency. High temperature is beneficial to improve energy conversion efficiency.     

液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究

利用高速摄影仪记录了不同液滴撞击固体表面的形态变化过程, 并探讨了液滴撞击参数对撞击过程液滴形态的影响. 结果表明: 液滴黏度对液滴铺展过程起着决定性作用, 液滴表面张力对液滴铺展后的回缩起到主导作用, 两者的共同作用决定着液滴的震荡特性; 撞击速度的提高会增大液滴的最大铺展因子, 但达到最大铺展的时间因表面张力的不同呈现不同变化规律.     

Crown evolution kinematics of a camellia oil droplet impacting on a liquid layer

The phenomenon of droplet impact on an immiscible liquid is encountered in a variety of scenarios in nature and industrial production. Despite exhaustive research, it is not fully clear how the immiscibility of the liquid on which a droplet impacts affects the crown evolution. The present work experimentally investigates the evolution kinematics of a crown formed by the normal impact of a camellia oil droplet on an immiscible water layer. Based on discussion of dynamic impact behaviors for three critical Weber numbers (We), the radius of the crown and its average spreading velocity are compared with those of previous theoretical models to discuss their applicability to the immiscible liquid. The evolution kinematics (morphology and velocity) are analyzed by considering the effects of the We and layer thickness. Furthermore, the ability of crown expansion in radial and vertical directions is characterized by a velocity ratio. The results show that our experimental crown radius still follows a square-root function of evolution time, which agrees with the theoretical predictions. The dimensionless average spreading velocity decreases with We and follows a multivariate power law, while the dimensionless average rising velocity remains constant. The velocity ratio is shown to linearly increase with We, demonstrating that the rising movement in crown evolution gradually enhances with We. These results are helpful for further investigation on the droplet impact on an immiscible liquid layer.     

液滴冲击液膜过程实验研究

实验显示了液滴撞击物体表面液膜后产生水花、发生飞溅,特别是产生“钟形”水花等的流动现象.根据实验结果,探讨了液滴冲击速度、液体黏性、表面张力、液滴直径和液膜厚度等对液滴冲击后产生的流动现象,以及液膜形状演化的影响,分析了观测到的鲜有文献报道的液滴撞击液膜后产生“钟形”水花的现象. 关键词： 液滴 液膜 冲击 流动显示     

液滴冲击液膜过程实验研究

实验显示了液滴撞击物体表面液膜后产生水花、发生飞溅,特别是产生“钟形”水花等的流动现象.根据实验结果,探讨了液滴冲击速度、液体黏性、表面张力、液滴直径和液膜厚度等对液滴冲击后产生的流动现象,以及液膜形状演化的影响,分析了观测到的鲜有文献报道的液滴撞击液膜后产生“钟形”水花的现象.     

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.     

液滴在梯度微结构表面上的铺展动力学分析

本文通过改变肋柱宽度和间距, 构造了二级和多级梯度微结构表面, 采用格子-Boltzmann方法对液滴在两种梯度表面上的铺展过程进行了研究, 探析液滴运动的机理和调控方法. 结果表明, 在改变肋柱间距的二级梯度表面上, 当液滴处于Cassie态时, 接触角滞后大小与粗糙度梯度成正比关系; 当液滴从Cassie态转换为Wenzel态或介于两者之间的不稳定态时, 这一正比关系不再遵循. 在改变肋柱宽度的二级梯度表面上, 接触角滞后大小与粗糙度梯度始终成正比关系. 在多级梯度表面上, 随液滴初始半径增大, 接触角滞后减小, 但液滴平衡位置相较于初始位置偏离增大. 对梯度微结构表面上液滴运动和接触角滞后的定量分析, 可为实现梯度微结构表面液滴运动调控提供理论依据.