液滴碰撞不同接触角线缆表面的模拟

针对常见的液滴输电线缆搭建对应的计算模型,通过Fluent内置的VOF对不同疏水性表面进行计算,讨论液滴与线缆的接触时间、铺展半径与接触角度之间的关系,并分析不同接触角下液滴的压力云图和速度矢量图。模拟计算结果显示：液滴与壁面接触的运动状态受壁面接触角的影响,液滴铺展面积和接触时间与壁面接触角呈反比关系;提高壁面接触角会降低铺展面积、减少接触时间,加快液滴的回缩、回弹,运动液滴最终滑落离开壁面;小接触角壁面铺展面积增大、接触时间增加,液滴最终完全铺展停留于壁面上。研究结果对探究不同疏水性下液滴在线缆壁面结冰的原理及特性具有一定的指导和参考意义。     

结冰环境热合成双射流激励器工作特性数值研究

为研究结冰环境中热合成双射流激励器工作特性,采用离散相模型(discrete phase model,DPM),结合动网格方法,数值研究了结冰环境中来流速度、液滴含量、液滴直径对激励器工作特性的影响.结果表明,来流速度较小时,双射流激励器出口形成热合成射流融合区,由于热射流的加热作用,温度较高,环境中的过冷液滴难以进入...     

水平梯度表面能材料表面上的滴状凝结换热系数

本文在均质表面的单个球缺形液滴换热模型和液滴通用尺度分布规律的基础上,结合梯度表面能材料表面的液滴分布和凝结换热特性,得到了一维水平梯度表面能材料表面上的滴状凝结换热计算式。在此基础上,研究了壁面过冷度、接触角梯度、工质物性等参数对梯度表面能材料表面滴状凝结换热性能的影响。结果表明:随着过冷度的增加和凝结工质汽化潜热的增大和表面张力的减小和接触角梯度的增大,平均表面凝结换热系数会增大。     

过冷水中水蒸气气泡生长分离的数值研究

基于分子动力学理论,建立了气泡冷凝换热模型,对水蒸气气泡在过冷水中的生长和分离过程进行了数值研究,分析过冷度、进口速度和壁面接触角对气泡生长和分离的影响,并与无相变过程进行了对比。研究表明,随着过冷度的提高,气泡在分离时的体积减小,且当过冷度高于一定值以后气泡不能分离;随着蒸汽进口速度的增加,气泡的生长和分离时间减小,且能够分离的临界温度增大;当壁面的静态接触角小于一定值时,气泡的生长和分离时间不变;随着静态接触角的继续增大,气泡的分离时间增加。     

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。     

论小接触角下实现滴状冷凝的可能性

通过分析液滴在临界态及后续冷凝过程中化学势的变化，解释了冷凝器混合冷凝的形成机理 ，并证明了如果降低壁面过冷度以及采用适当措施降低壁面液滴的脱落半径的话，实现稳定 的小接触角的滴状冷凝是可能的. 关键词： 混合冷凝 接触角 化学势     

蒸汽剪切驱动液滴行为的格子Boltzmann模拟

滴状冷凝过程中,存在蒸汽流动对液滴的吹扫作用,液滴在蒸汽剪切作用下克服壁面黏附变形和运动,液滴运动速度越大,冷凝传热性能越高。但是液滴在蒸汽作用下变形和运动的细节还不清晰,蒸汽速度对液滴变形和运动的影响机理还不明确。本文采用自由能格子Boltzmann方法研究了在不同蒸汽速度剪切作用下,液滴在具有不同润湿性固体表面上的变形和运动过程,分析了蒸汽速度和接触角对液滴变形和运动的影响机制,结果显示随着蒸汽速度的增加,液滴变形越大,液滴在固体表面的运动速度越大,停留时间越短,有利于液滴的移除和表面更新,相同蒸汽速度的作用下,液滴在接触角大的固体表面上变形和运动速度越大,也有利于液滴的移除和表面更新。从而定性或半定量地揭示了蒸汽速度影响蒸汽滴状冷凝传热的物理机制。     

壁面静止水滴冻结过程形状变化

低温表面上的液滴冻结时会形成具有尖顶的形状。针对这一现象开展了理论与实验研究,建立了新的动态曲形相界面模型用来模拟水滴冻结过程中的形状变化。模型考虑重力和成核再辉效应的影响,将冻结过程中的冰水相界面近似为球冠形曲面,并在三相点处引入动态生长角和直角关系。对壁面上20μL静止水滴进行了冻结实验,记录水滴三相点高度的演化过程,以此拟合得到了其随时间变化的关联式,基于该关联式求解理论模型,得到了水滴最终冻结形状。模拟结果与实验结果在水滴初始轮廓、成核再辉轮廓和最终冻结轮廓以及冻结时间上均吻合良好。曲面模型的计算结果表明,固液相界面上不同位置处的冻结速率不同;随着相界面向上推移,冻结速率逐渐减小。     

水平均质表面上液滴聚合过程的可视化实验研究

对水平均匀表面上液滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了液滴半径和液滴物性等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径和接触角变化特性的影响规律。实验结果表明:液滴聚合中液桥半径和接触角都呈衰减振荡变化; 聚合前液滴半径越小,液桥半径振荡频率越大,振幅越小,振荡时间越短;液滴的粘度越大,液桥半径的振荡频率越小, 振幅越小,振荡时间越短;液滴聚合前的接触角明显大于聚合液滴静止后的接触角,其差值与固体界面状况和气、固、液物性相关。     

液滴撞击等温固体平壁的数值模拟

建立了液滴撞击等温固体平壁的物理和数学模型,数值模拟了撞击后液滴的变形和反弹过程,将模拟结果与文献中的实验结果做了比较,两者吻合较好,表明所采用的模型可以模拟液滴在水平壁面上的运动形态.通过比较不同条件下铺展因素随时间的变化规律,分析了液滴碰撞速度、初始接触角对变形过程的影响.     

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.     

喷雾冷却中微液滴碰撞薄液膜的流动与换热

在喷雾冷却过程中,液滴撞击对壁面薄液膜的流动与换热特性有重要影响。本文采用Volume-of-Fluid(VOF)方法,对单液滴与双液滴撞击恒温壁面上薄液膜的换热特性进行了数值模拟分析。结果表明,液滴冲撞作用会使壁面产生很大热流,液滴初始直径越大、速度越快,换热系数越大。对于多液滴,撞击产生的扰动可以彼此迭加,从而进一步增强换热。     

喷雾冷却中液滴冲击壁面的流动和换热

喷雾冷却中液滴冲击壁面的流动和换热强弱可用铺展系数和冷却效能的大小来反映.本文利用Volume-of-Fluid(VOF)方法,对初始直径在50～150 μm,初始速度在1.0～10.0 m/s之间的单个液滴冲击恒温发热表面的情况进行了数值模拟.模拟结果表明,增加液滴的初始速度和直径会扩大液滴的铺展范围,即铺展系数增大;液滴的初始直径越小、速度越大,则其冷却效能越大,即冷却能力越强.定量结果对喷雾系统的设计具有重要意义.     

平衡接触角对受热液滴在水平壁面上铺展特性的影响

壁面温度是影响壁面润湿性的重要外部条件. 为解决液滴铺展中三相接触线处应力集中问题, 已有研究多采用预置液膜假设, 但无法探究壁面温度对润湿性的影响. 本文针对受热液滴在固体壁面上的铺展过程, 基于润滑理论建立了演化模型, 通过数值模拟, 从平衡接触角角度分析了温度影响壁面润湿性及铺展过程的内部机理. 研究表明: 随温度梯度增大, 液滴所受Marangoni效应增强, 致使液滴向低温区的铺展速率加快; 铺展过程中, 位于高温区的接触线与液滴主体部分间形成一层薄液膜, 重力与热毛细力先后主导该区域的铺展; 当液-固或气-液界面张力对温度的敏感度高于另两个界面时, 低温区方向的平衡接触角不断增大, 使壁面润湿性恶化, 导致液滴铺展减慢; 而当气-固界面张力对温度的敏感度高于其他两个界面时, 低温区方向上的平衡接触角将减小, 由此改善壁面润湿性, 加快液滴铺展; 在温度影响壁面润湿性和液滴铺展过程中, 平衡接触角起关键作用.     

快速减压条件下液滴热动力学行为的实验研究

实验研究了快速降压过程中悬挂单水滴闪蒸/冻结过程,得到了典型条件下液滴闪蒸/冻结过程的热动力学特征,并基于实验观测结果,探讨了不凝气体对液滴闪蒸/冻结热动力学过程的影响。实验发现,起始冻结时的液滴过冷度近似为常数,而再辉温度对应于终态蒸汽分压所确定的气固相变平衡温度。这些结果有助于正确预言高真空环境中的液滴闪蒸/冻结特征。     

基于改进格子Boltzmann焓法模型的液滴凝固数值研究

为了研究不同冷壁面特性上液滴的结晶过程以及凝固速率的规律,利用通过加入对流换热和辐射换热项,使用固相体积分数修正流场的改进的焓-LB方法,使得模型模拟的结果更加精确.分析了液滴在6种不同的壁面特性下,凝固过程平均固相体积分数随时间的变化.分析了凝固后接触角及接触面积与半径的比值随亲疏水性不同的变化.结果表明:壁面的亲水性越好,液滴凝固成核后与壁面的接触角越小,接触面积与半径之间的比值越大;反之,壁面的疏水性越好,液滴凝固成核后与壁面的接触角越大,接触面积与半径之间的比值越小.在超疏水表面存在粗糙元间距较大时,凝固速率最慢,且与粗糙元的接触面积较小,有利于抑霜除霜.     

疏水表面减阻的格子Boltzmann方法数值模拟

采用格子Boltzmann方法的多松弛模型和Shan-Chen多相流模型对雷诺数为100的疏水表面方柱绕流进行了数值模拟, 分析了疏水表面接触角和来流含气率对方柱绕流流场的影响. 研究结果表明: 疏水表面接触角一定时, 来流含气率在一定范围内, 疏水表面具有减阻的能力, 超出这一范围时会出现阻力系数、升力系数升高的现象, 同时在方柱近壁面处伴随涡的形成产生了气团脱落; 当来流含气率处于适当水平时, 接触角越大, 绕流物体近壁面处含气率越稳定, 减阻效果越明显. 分析发现疏水表面减阻的关键在于保证近壁面处气层的稳定性, 此时接触角越大, 减阻效果越明显. 本文从含气率角度出发分析疏水表面的减阻现象, 为进一步探索疏水表面减阻机理提出了新的思路.     

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.     

竖直表面液滴运动的数值模拟

为研究具有不同润湿特性的表面上液滴运动的规律,本文依据液滴接触角与基底方位角的关系以及运动液滴的动态接触角模型,运用Fluent软件,实现了对竖直表面上静止和运动液滴的数值模拟,得到了液滴的形貌以及内部的速度分布。模拟所得竖直表面上静止液滴和运动液滴的接触角和形貌均与实验结果吻合较好。液滴内部速度分布表明,裸铝表面(亲水)上液滴的运动方式为滑动;114°疏水表面上的液滴内部出现不完整的环流,但仍然以滑动运动为主;而145°疏水表面上液滴以滚动方式向下运动,液滴运动较快。