气泡破碎过程中液膜形变及卷曲特性研究

利用高速摄像方法实验研究了自由空间内悬挂气泡的破碎过程,分析了气泡破碎过程中半封闭曲面液膜整体形变的发生原因,探讨了曲面液膜破碎过程各个阶段的边缘液膜卷曲特性。研究结果表明,悬挂气泡排液过程导致的液膜厚度局部减薄,是造成气泡破碎初始阶段边缘液膜卷曲角速度增大的主要原因;在扰动波延迟阶段,边缘液膜卷曲角速度呈现逐渐降低的趋势;在膜液滴分离阶段,边缘液膜卷曲角速度基本维持不变,破碎液膜表面势能主要转化为膜液滴分离动能和边缘液膜切向/径向动能。     

局部沸腾液滴内部气泡动态行为研究

本文采用微加热器对液滴进行局部加热,并对其蒸发沸腾现象进行了可视化研究。液滴局部加热后产生局部沸腾现象,内部生成单气泡,气泡附着在加热基板上,持续生长,当达到某个临界点气泡破裂。在加热初期,气泡生长速度很快,随着加热过程的不断进行,气泡的生长速度逐渐放缓;随着气泡生长顺序的不断推迟,最大直径减小;加热功率的提升会增加气泡的生长速度,缩短气泡的生长时间。通过对气泡破裂过程的研究,气泡破碎过程开始于气泡上方的液膜断裂,形成不稳定的瑞利流和向上喷射的液滴,在表面张力的作用下,恢复初始状态,气泡破裂直径大小会影响液滴的波动幅度与周期。     

液滴撞击液膜过程的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法对液滴撞击液膜过程进行了研究, 主要考察了雷诺数(Re)、韦伯数(We)、相对液膜厚度 (h) 以及表面张力 (σ) 等物理参数对界面运动过程的影响. 首先, 随着Re数和We数的增加, 可以明显观察到液滴撞击液膜过程中形成的皇冠状水花以及卷吸现象; 当Re数较大时, 液体会发生飞溅, 由液体飞溅形成的小液滴则会继续下落, 并与液膜再次发生碰撞. 其次, 当相对液膜厚度较小时, 液滴撞击液膜并最终导致液膜断裂; 然而随着相对液膜厚度的增大, 尽管撞击过程溅起的液体会越来越多, 但是液膜并不会发生断裂. 再次, 随着表面张力的增大, 界面变形阻力增大, 撞击过程中产生的界面形变也逐渐减弱. 最后还发现皇冠(由液滴溅起形成)半径r 随时间满足r/(2R) ≈ α√Ut/(2R), 这一结果与已有结论是一致的.     

T型微通道气液两相流流动与传热的数值研究

为进行微通道气液两相流动及传热研究,建立了T型微通道模型,利用VOF方法进行数值模拟,对弹状流流型进行了数值分析,考察了弹状流的形成过程、速度、表面张力和粘度对弹状流流型的影响,计算了气泡速度和液膜厚度,并与经验关联式进行比较。结果表明:液体粘度对弹状流的影响较大;而表面张力对弹状流几乎没有影响,当气速一定时,液速越大,气泡的长度越小而液柱的长度越大。气泡速度和液膜厚度与经验关联式的计算结果误差分别为2.57%和4.87%。     

底板属性对液滴蒸发过程的影响

液滴蒸发机制目前引起人们广泛重视。通过研究纳米颗粒质量溶度为0.05%的Al_2O_3液滴在铁表面和玻璃表面的蒸发过程,发现液滴在铁表面蒸发时呈现4种蒸发形态;定接触线形态、定接触角形态、黏滑形态和不稳定形态;而在玻璃表面的蒸发只有不稳定形态。主要原因是液滴在铁表面蒸发时,固-液表面张力更大,形成定接触线蒸发形态;随着蒸发进行,液滴温度下降,气-液表面张力变大,因而产生黏滑形态。     

液滴撞击液膜的射流与水花形成机理分析

建立了单液滴撞击平面液膜的物理与数学模型,采用Coupled Level Set and Volume of Fluid方法对这种现象进行了数值模拟,探讨了黏度和表面张力对冠状水花形态的影响.通过分析撞击后液体内部的压力和速度分布,揭示了液滴颈部射流的产生机理,验证了Yarin和Weiss提出的运动间断理论.研究显示,表面张力对冠状水花形态的影响远大于黏度的影响.颈部射流的产生主要是由于撞击后颈部区域局部较大压差造成的,随着撞击过程的继续,压差作用减弱;液膜内流体的径向运动对射流发展成冠状水花具有推动作用.     

平板上蒸发液滴内表面张力作用下流动的研究

一、前言 相界面的传热、传质过程往往伴随着流体内部的对流运动。由界面张力(表面张力)驱动的流体流动,对于热、质交换的强化起着重要作用。人们对于平板上水平液膜,流体介质中的液滴等现象进行了广泛的研究,揭示了许多表面张力驱动流动的性质,以及它与传热、传质的关系。对于水平平板上厚度小于1mm的薄液膜,液膜内的流动主要是由于温差引起的表面张力梯度触发的Bénard细胞流。实验研究发现:在水平平板上蒸发的液滴内也会出现Bénard细胞流。但是,液滴与液膜存在形状上的差异,故内部流动形式也将不同。若把小接触角的液滴看作是各处厚度不等的液膜,可以预见滴内的细胞     

对流梯形微通道内气液两相流动的数值研究

采用VOF方法,对梯形微通道内不可压缩气液两相流动进行了数值模拟研究,详细分析了气泡形成过程,以及当量直径、截面形状、液体表面张力和粘度等对气泡液柱形成过程和长度的影响,拟合出微通道气泡液柱长度计算公式。结果表明:气泡液柱的长度受表观气速和表观液速的影响较大;表面张力对气泡尺寸的影响较小,当液体粘度增加为水粘度的10倍时,形成的气泡形状不规则。增大表面张力,形成气泡的时间增加;增大粘度,形成气泡的时间减小。     

微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究

将高精度的二氧化碳状态方程与气液两相流格子Boltzmann方法中的伪势模型耦合,研究微通道内二氧化碳气液两相流动的界面动力学行为,包括二氧化碳气泡和液滴的分裂、合并、变形,以及气液两相二氧化碳在演化过程中的质量交换.研究发现：当分裂和合并行为达到平衡,并且两相之间不发生质量交换时流动达到稳态.稳态时的流型主要依赖于表面张力,惯性力,管道的润湿性,以及初始体积分数.当表面张力较大时,微通道内形成的二氧化碳气泡或液滴会收缩成圆形,此时二氧化碳气泡或液滴会堵塞微通道,形成段塞流;随着表面张力的减小,形成的气泡或液滴不容易收缩,在微通道内更容易发生变形,出现泡状流或环状流.当壁面润湿性为强疏水性时,二氧化碳在微通道中的流动为环状流,其它润湿性下,流型为段塞流.体积分数较小时,二氧化碳两相流动的流型为段塞流,体积分数较大时,流型为环状流.     

格子Boltzmann方法模拟双液滴撞击液膜的流动过程

采用单相自由面格子Boltzmann方法中流场计算,自由面条件和表面张力处理方法,研究双液滴撞击液膜的流动过程,实现对垂直间隔的两液滴相继撞击液膜流动过程的模拟.数值结果表明,液滴相继冲击液膜时,液滴间上下距离对液膜状态有很大的影响,液滴间距不同,液膜形状会出现很大差异.数值结果与实验结论定性一致.     

液滴撞击液膜的穿越模式及运动特性

液滴撞击液膜是自然界中广泛存在的一种有趣的物理现象,如雨滴撞击水坑中的雨泡,啤酒穿过而不破坏杯中泡沫等,科学家对此现象进行了一些研究,但对其相互作用机理仍然认识不足.本文利用高速摄像机记录液滴撞击肥皂膜的瞬态过程,研究了不同韦伯数(We∈(10.8, 350))下液滴与液膜的相互作用过程、穿越模式及运动特性.研究结果表明,随着We的增加,液滴从反弹过渡到穿越(临界We=10.8),穿越后,根据液膜与液滴的作用形式,又可细分为无袋型包裹、射泡、有袋型包裹和融合等四种不同穿越模式.穿越后的液滴可形成"液滴-气垫-液膜"型复合液滴(We∈(120, 240))和表皮为微米厚溶液层的单相液滴(We∈(240, 350)).根据气垫层厚度不同,无袋型复合型液滴的表观表面张力为最外层液膜之表面张力,而有袋型复合液滴则为3个气液界面的表面张力之和.复合型液滴外层包膜可能破裂、剥落并产生射泡现象,该现象发生在一定的We数区间内(We∈(60, 120)),且该区间随着液滴直径的增加而增大. We数越大,液滴穿越液膜过程中的速度损失越小,液滴位移曲线越靠近理论曲线.     

流体黏性及表面张力对气泡运动特性的影响

基于气泡边界层理论,引入黏性修正,采用边界积分法,考虑黏性效应和表面张力在单气泡以及双气泡耦合作用过程中的影响.首先将建立的数值模型与Rayleigh-Plesset的解析解进行对比,发现二者符合良好,验证了数值模型的有效性;在此基础上,建立考虑流体弱黏性效应的双气泡耦合模型,研究流体黏性和表面张力作用下,气泡表面变形、射流速度、流场能量转换等物理量的变化规律;最后研究雷诺数和韦伯数对于气泡脉动特性的影响规律.结果表明,流体黏性会抑制气泡脉动和气泡射流发展,降低气泡半径和射流速度;表面张力不改变气泡脉动幅值,但缩短了脉动周期,提升气泡势能.     

超声悬浮甲醇液滴的热诱导雾化现象

采用外部高温气体加热的方式研究了超声悬浮甲醇液滴的声致破碎雾化现象,利用高速摄像手段记录并实验研究了不同直径液滴不同的破碎雾化特性.结果表明:超声悬浮液滴在高温气流吹扫后可发生边缘喷射雾化现象.破碎方式包含边缘溅射、液膜割裂和法向溅射三类.直径D_0较小的液滴直接从赤道面开始边缘溅射直至完全雾化;等效直径D_0 2.8 mm的液滴,在产生边缘溅射后,剩余液核弯曲形成液膜,其表面产生法拉第波,使得液膜割裂破碎;而D_0 3.2 mm的液滴,在变形过程中逐渐形成"碗状"空腔,并在其底部的法向方向产生溅射,同时开始液膜割裂的离散化解体过程并伴随着边缘溅射,直至完全雾化.这种声致液滴雾化现象丰富了多物理场耦合作用下的流体理论,可为相关应用研究提供新思路.     

壁面涂层构型对垂直降膜流动特性的影响

利用特种表面涂层材料对实验管壁进行改性,使液膜形成沟流,实现液膜的内外表面溶液重新掺混;管外涂层的不同构型形成表面张力梯度表面,在吸收过程中可引导液滴向液膜方向运动,促进液膜扰动,从而达到强化传质的目的.通过液膜流动的可视化照片和液膜波动特性的实验结果,对不同状况下的流动形态进行初步分析.     

水下气体喷射噪声特性研究

水下气体喷射形成了复杂气液流场,同时伴有频带宽、声压大的排气噪声产生。为研究水下排气流动状态与声压频谱之间的关系,建立水下排气噪声测试系统对水下排气形成的两相流场和排气噪声频谱进行了试验研究。结果表明随着排气速度的逐渐增大,排气形成的两相流场由气泡流态过渡为射流流态。伴随着流态的转换,气液边界面附近不稳定,形成大量体积较小气泡,这些小气泡在排气形成的湍流场激振作用下产生共振,从而辐射噪声;另一方面,这些气泡体积小,表面张力大,当多个气泡相互作用以及气泡形态发生变化时将释放出更高的能量,这些能量会辐射形成噪声;喷射流场的流态对水下排气噪声中频段声压峰值有较大的影响。当射流场由气泡流态过渡为射流流态后,2 kHz处对应的声压峰值呈非线性增大。     

中空液滴碰撞水平壁面数值分析

采用耦合水平集-体积分数法并综合考虑传热及接触热阻作用建立了中空液滴碰撞水平壁面数值模型,并验证了模型的可靠性.通过分析计算结果,获得了中空液滴与实心液滴撞壁的动力学特征差异,揭示了中空液滴撞壁流动传热机理和中心射流形成机制,探索了碰撞速度和壁面浸润性对中空液滴撞壁动力学和传热特性的影响.研究表明:中空液滴撞壁后中心射流特征明显,并伴随有射流收缩和液壳破碎等现象.中空液滴内部压力梯度是液滴铺展、中心射流产生和发展的主要原因;撞壁过程中中心射流表面温度分布较为均匀,破碎液壳表面温度分布波动较大.碰撞速度与中空液滴撞壁最大铺展系数的相关性较小,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较大;壁面浸润性与中空液滴撞壁后期铺展系数的相关性较大,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较小.     

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.     

方管两相流中微液膜的测量与分析

在微通道流动沸腾换热中,微液膜的蒸发对其起到了至关重要的作用,本文探究了0.6 mm方管在气液两相流条件下的液膜厚度变化,实验通过激光共聚焦位移计测量液膜厚度和高速相机采集图像,实现了同步测量。实验发现,当气泡速度小于1.27 m/s时,液体会集中在方管的四角,不会形成液膜;当气泡速度为1.21～2.71 m/s时,会在管壁形成液膜,液膜的变化呈阶梯式,并且随着气泡速度增大而增大;当气泡速度大于3.21 m/s时,流型会转变为环状流,液膜厚度会开始出现振荡。     

可压缩气体中带电Newton流体平面液膜的不稳定性分析

液体雾化被广泛应用于工业、农业等领域,雾化过程中液体首先形成液膜,液膜在气液边界层内出现不稳定,导致液膜破碎。因此液膜的不稳定性对液体雾化起着非常重要的作用,有必要对液膜的不稳定性进行研究。采用数值计算的方法对可压缩气体中黏性平面液膜的不稳定性进行了研究,首先对黏性平面液膜和气体的速度分布进行推导,在此基础上采用谱方法对黏性平面液膜的不稳定性进行了研究。研究发现：在正弦和曲张模式下,施加电场会加速平面液膜的破碎;正弦模式比曲张模式更加不稳定,说明正弦模式在平面液膜不稳定中起主导作用;气体Mach数、电Euler数、气体Reynolds数、 Weber数和动量通量比的增加会加速液膜的破裂;随着气体边界层与液膜厚度比和液体Reynolds数的增加,扰动波的增长速率降低,液膜变得更加稳定。     

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