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...     

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.     

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.     

盐水液滴撞击固体壁面接触特性实验研究

采用高速摄像仪对不同浓度盐水液滴撞击水平固体表面的现象进行了观测并记录,总结了接触角、铺展系数和无量纲高度的变化规律,并对其影响参数进行了分析。结果表明:在液滴铺展阶段,盐水液滴的动态接触角大于纯水液滴的,在回缩阶段,其动态接触角反而小于纯水液滴的;液滴铺展系数随盐浓度的增加而减小;液滴直径增大,其最大铺展系数增大,铺展系数变化的震荡频率减弱;对于较大直径液滴,在铺展阶段,盐浓度对液滴动态铺展特性影响较小;随液滴撞击速度增加,液滴的铺展系数增大,而回缩到最小铺展直径所用时间缩短,液滴震荡越易受到抑制;相对于速度而言,液滴直径大小更能影响液滴的震荡频率。     

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.     

基于格子Boltzmann方法的液滴沿固壁铺展动态过程模拟

矿井喷雾降尘是利用水雾使粉尘润湿沉降的过程,考虑到固体与液体间分子作用力,本文采用格子Boltzmann方法对液滴沿固壁铺展的动力学行为进行了数值模拟,结果发现铺展直径及动态接触角随时间呈指数规律,确定了液滴表面张力与铺展最大直径间的关系,固壁润湿性对铺展最大速度值影响较大,这些与物理试验及文献结果符合良好. 进一步考察了疏水性强的固壁,发现当液滴表面张力足够小时,铺展接触角可以在90°以下,与理论公式符合. 研究发现铺展过程中伴随着振荡,且铺展到最大时液膜有回缩趋势. 关键词： 液滴 格子Boltzmann方法 铺展 数值模拟     

双液滴同时垂直撞击壁面的数值研究

采用质量守恒的level set方法对双液滴同时垂直撞击干壁面后的流动过程进行了模拟研究,主要讨论了韦伯数(We)、壁面接触角(θ)以及双液滴水平间距(S)等物理参数对相界面流动过程的影响,分析了不同参数下射流高度和水平铺展半长随时间的变化规律.研究表明:We数较大时,中心射流液柱将产生二次液滴,随后液柱反弹至空中,且We数越大,中心射流产生的二次液滴次数越多,最大无量纲射流高度和最大无量纲铺展半长越大;随壁面接触角的增大,中心射流液柱出现反弹现象,水平铺展液流出现断裂的时间越早,最大无量纲射流高度和最大无量纲铺展半长越小;最大无量纲射流高度值与液滴水平间距的相关性不单调,铺展半长随水平间距的增大而增大.     

液滴撞击加热壁面雾化弹起模式及驻留时间

液滴撞击壁面是一种常见的现象,减少撞击过程中液滴在壁面的驻留时间在很多应用中非常重要.本文在对液滴撞击加热壁面的动力学过程的研究中,发现了一种能够大幅减少液滴驻留时间的弹起模式,即雾化弹起模式.与液滴撞击壁面过程中的回缩弹起模式相比,雾化弹起模式的液滴驻留时间能减少约40%.与其他试图减少液滴驻留时间的手段相比,本文中驻留时间的减少仅需加热壁面,因此该方法容易实施而且非常可靠.最后,本文对雾化弹起模式下液滴驻留时间减少的机理进行了讨论,提出了一个针对膜态沸腾区域雾化弹起模式发生条件的简化理论模型,并得出了膜态沸腾区域液滴从雾化弹起模式到回缩弹起模式过渡边界的幂次关系,该幂次关系与实验数据吻合良好.此外,该理论模型也能解释过渡沸腾区域两种弹起模式的过渡边界的变化规律.     

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。     

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.     

Drop impact on superheated surfaces

At the impact of a liquid droplet on a smooth surface heated above the liquid's boiling point, the droplet either immediately boils when it contacts the surface ("contact boiling"), or without any surface contact forms a Leidenfrost vapor layer towards the hot surface and bounces back ("gentle film boiling"), or both forms the Leidenfrost layer and ejects tiny droplets upward ("spraying film boiling"). We experimentally determine conditions under which impact behaviors in each regime can be realized. We show that the dimensionless maximum spreading γ of impacting droplets on the heated surfaces in both gentle and spraying film boiling regimes shows a universal scaling with the Weber number We (γ~We(2/5)), which is much steeper than for the impact on nonheated (hydrophilic or hydrophobic) surfaces (γ~We(1/4)). We also interferometrically measure the vapor thickness under the droplet.     

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     

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.     

Dynamics of non-Newtonian droplets

We study the impact and subsequent retraction dynamics of aqueous liquid droplets upon high-speed impact on hydrophobic surfaces. Often a spectacular "rebound" of the droplet can be observed: after the impact and expansion, the drop retracts rapidly, leading to ejection of part of the material from the surface. We show how non-Newtonian flow properties can be used to slow down the retraction sufficiently to completely inhibit rebound. The slowing down is due to non-Newtonian normal stresses generated near the moving contact line of the droplet. We provide a quantitative theory for the slowing down, and show that the non-Newtonian effects profoundly change the contact line dynamics.     

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。     

SiC表面圆环槽边缘效应实验研究

基于固体边缘效应,对碳化硅(SiC)表面激光加工圆环形沟槽的润湿特性进行实验研究,通过分析去离子水在圆环槽上的润湿性能及其在边缘处的铺展行为,获得了环槽深度与环槽宽度对液滴在边缘处最大表观接触角的影响规律.结果表明,SiC圆环槽阻碍液滴铺展,光滑基体表面上接触角为70°,激光加工圆环槽深度为290μm,宽度为1 mm时,接触角可达138.5°.随槽深的增大,接触角呈现先增大后趋于稳定的趋势,临界槽深为80μm.当槽深小于该极值时,接触角随槽深的增大而线性增大;当槽深大于该极值时,液滴处于稳定钉扎状态,接触角趋于稳定,其稳定值符合Gibbs不等式.环槽宽度存在一临界值40μm.当槽宽低于该值时,液滴接触环槽外缘后越过沟槽继续在平面上铺展;当槽宽大于该值时,接触角趋于稳定,液滴沿边缘铺展.     

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.     

低温光滑壁面上水滴撞击结冰行为

采用高速摄像技术测试低温光滑壁面上水滴撞击结冰过程, 分析了撞击速度、壁面温度和材料热导率对水滴撞击铺展、振荡及结冰行为的影响规律. 结果表明, 低温壁面造成水滴最大铺展直径缩小, 且结冰时间随温度降低而缩短; 当撞击We数提高时, 水滴最大铺展直径增大, 而振荡和结冰时间减小; 同时材料热导率越高, 最大铺展直径越小, 结冰越迅速. 另外, 从热力学角度推导出水滴撞击结冰时间的理论公式, 预测误差<5.3%.     

Investigations into wetting and spreading behaviors of impacting metal droplet under ultrasonic vibration control

Ultrasonic-assisted metal droplet deposition (UAMDD) is currently considered a promising technology in droplet-based 3D printing due to its capability to change the wetting and spreading behaviors at the droplet-substrate interface. However, the involved contact dynamics during impacting droplet deposition, particularly the complex physical interaction and metallurgical reaction of induced wetting-spreading-solidification by the external energy, remain unclear to date, which hinders the quantitative prediction and regulation of the microstructures and bonding property of the UAMDD bumps. Here, the wettability of the impacting metal droplet ejected by a piezoelectric micro-jet device (PMJD) on non-wetting and wetting ultrasonic vibration substrates is studied, and the corresponding spreading diameter, contact angle, and bonding strength are also discussed. For the non-wetting substrate, the wettability of the droplet can be significantly increased due to the extrusion of the vibration substrate and the momentum transfer layer at the droplet-substrate interface. And the wettability of the droplet on a wetting substrate is increased at a lower vibration amplitude, which is driven by the momentum transfer layer and the capillary waves at the liquid–vapor interface. Moreover, the effects of the ultrasonic amplitude on the droplet spreading are studied under the resonant frequency of 18.2–18.4 kHz. Compared to deposit droplets on a static substrate, such UAMDD has 31% and 2.1% increments in the spreading diameters for the non-wetting and wetting systems, and the corresponding adhesion tangential forces are increased by 3.85 and 5.59 times.