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.      

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.      

合成热射流除霜除冰实验

实验研究了水滴在冷表面结冰结霜,以及合成热射流除霜除冰过程.实验中采用-30.0℃的半导体制冷片作为制冷源,将水滴滴在半导体制冷片的标定位置,在水滴完全结冰结霜且形态不再改变后,合成热射流激励器工作.利用电子显微镜观测并记录合成热射流除霜除冰的整个过程.结果显示:合成热射流能够完全除去结霜冰滴表面的霜,并且能将凝固水滴完全融化为透明的水滴.并且与合成双射流除霜效果相比,合成热射流的除霜速度极大增加,并且完全除霜后,冰滴的高度比合成双射流除霜减少20%.      

二元混合燃料在靶丸内壁形成均匀液体层的数学模型

 提出了一个数学模型，描述了二元混合燃料H-D和D-T在ICF低温靶丸内壁形成均匀液体层时，远端场的温度梯度和工作温度间的关系。在靶竖直方向施加一个温度梯度后，模型显示将在气液界面产生一个垂直向上的张力梯度，它将液体从靶丸底部拉到上部，适当的张力梯度抵消了重力对液层的作用，在靶丸的内壁形成了均匀的液体层。通过运用ANSYS软件对靶丸的导热情况进行了有限元分析，模型计算结果与Kim的实验数据吻合得较好，温度梯度的变化趋势也是相似的。     

表面能梯度驱动下纳米水滴在不同微结构表面上的运动

近年来, 微观尺度下水滴在能量梯度表面上的运动情况受到了广泛关注, 然而通过实验进行研究尚存在困难. 本文利用分子动力学方法研究了不同微结构表面上纳米水滴在表面能梯度驱动下的运动情况. 结果表明: 槽状和柱状微结构可以明显提升纳米水滴在微结构表面上的运动效率, 钉状微结构会降低纳米水滴的运动效率, 尽管它具有稳定的疏水性; 结合槽状和钉状结构的混合状微结构兼具二者的优点, 不但可以有效地提高纳米水滴在粗糙表面上的运动效率, 而且具有比较高的疏水稳定性. 此外, 表面能的微小改变会明显影响水滴的运动效率.     

同轴流动聚焦中射流不稳定性的理论研究

壳核结构的微胶囊在医学药学材料食品农业等领域具有广泛的应用前景, 其制备方法一直是相关领域关注的焦点.同轴流动聚焦(co-flow focusing)是一种新型制备技术, 利用复合射流的破碎制备微胶囊具有包裹率高过程量化可控参数域广产率高等诸多优势.在实验中, 复合射流的破碎受到多个过程参数的影响, 并涉及了多层界面的耦合效应.利用简化的物理模型, 在时间和时空域中分析了三相水-油-水复合射流不稳定性的发展和演化.在黏性流体线性稳定性理论中, 同轴射流和驱动液体的基本速度型分别基于管流和误差函数构造, 并通过数值方法求解满足相应边界条件下的线化小扰动控制方程.结果表明:增加内外层界面的界面张力均有利于射流的破碎; 流体的黏性对同轴射流的稳定性均有着促进作用; 越大的黏性越小的内界面张力对应着越大的射流破碎波长; 内外界面的耦合作用以及复合液滴的包裹情况均与内外射流的半径比息息相关; 绝对-对流不稳定性转换的临界Weber数随Reynolds数内层界面张力的增大而增大, 随内层和驱动流体的黏性增大而减小.这些结果将有助于提高液体驱动下同轴流动聚焦技术的过程控制, 为实际应用提供理论指导.      

倾斜均质表面上等径水滴聚合过程的可视化实验

对倾斜均匀表面上等直径水滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了水滴直径和表面倾角等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径、接触角和接触线变化特性的影响,分析了水滴聚合对其运动的影响.实验结果表明:表面倾角越大,下滑的临界半径越小;液滴的直径越大,液滴聚合后越容易下滑;液滴聚合可以加快液滴的运动,使下滑临界半径减小.     

超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析

为了揭示刚性界面附近气泡空化参数与微射流的相互关系, 从两气泡控制方程出发, 利用镜像原理, 建立了考虑刚性壁面作用的空化泡动力学模型. 数值对比了刚性界面与自由界面下气泡的运动特性, 并分析了气泡初始半径、气泡到固壁面的距离、声压幅值和超声频率对气泡溃灭的影响. 在此基础上, 建立了气泡溃灭速度和微射流的相互关系. 结果表明: 刚性界面对气泡振动主要起到抑制作用; 气泡溃灭的剧烈程度随气泡初始半径和超声频率的增加而降低, 随着气泡到固壁面距离的增加而增加; 声压幅值存在最优值, 固壁面附近的气泡在该最优值下气泡溃灭最为剧烈; 通过研究气泡溃灭速度和微射流的关系发现, 调节气泡溃灭速度可以达到间接控制微射流的目的.     

激波作用不同椭圆氦气柱过程中流动混合研究

在激波与气柱相互作用问题中,压力与密度间断不平行产生的斜压涡量会引起流动的不稳定性,从而促进物质间的混合.本文基于双通量模型,结合五阶加权基本无振荡(WENO)格式,求解多组分二维Navier-Stokes方程,分析激波作用面积相同结构不同的椭圆气柱所致的流动和混合.数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的气柱界面变形和波系演化.同时定量地从界面运动、界面结构参数变化(长度和高度)、气柱体积压缩率、环量及混合率等角度分析激波诱导的流动混合机制,研究椭圆几何构型对氦气混合过程的影响.结果表明,界面及相关参数的演化与气柱初始形状密切相关.当激波沿椭圆长轴作用于气柱时,气柱前端出现空气射流结构,且射流不断增长并渗透到下游界面,致使气柱分离成两个独立涡团,离心率越大,射流发展越快;同时激波作用气柱后在界面处产生不规则反射现象.圆形气柱界面演化与这种作用情形类似.当激波沿椭圆短轴作用于气柱时,界面上游出现类平面结构,随后平面上下缘处产生涡旋,主导流动发展,激波在界面作用产生规则反射,离心率越大,这些现象越明显.界面高度、长度、体积压缩率也因此有所差异.对界面演化、环量和混合率的综合分析表明,激波沿长轴作用于气柱且离心率较大时,流动发展较快,不稳定性导致的流动越复杂,越有利于氦气与环境介质的混合.     

液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性

基于润滑理论,采用滑移边界条件建立了二维液滴厚度的演化模型和移动接触线动力学模型,利用数值计算方法模拟了均匀加热基底上固着液滴蒸发时的动力学特性,分析了液-气、固-气和液-固界面张力温度敏感性对壁面润湿性和液滴动态特性的影响.结果表明,液滴的运动过程受毛细力、重力、热毛细力和蒸发的影响,重力对液滴铺展起促进作用,而毛细力、热毛细力则起抑制作用;通过改变界面张力温度敏感性系数,可使液滴蒸发过程中的接触线呈现处于钉扎或部分钉扎模式,且接触线钉扎模式下的液滴存续时间低于部分钉扎模式;提高液-气与液-固界面张力温度敏感系数均可改善壁面润湿性能,加快液滴铺展速率;而增大固-气界面张力温度敏感系数则导致壁面润湿性能恶化、延缓液滴铺展过程;通过改变固-气界面张力温度敏感系数更有利于调控处于蒸发状态下的液滴运动.     

汽液界面热毛细波的分子动力学模拟

用分子动力学模拟方法研究汽液界面性质,在NVT系综中,以氩原子为对象,对长方形模拟盒中汽液平衡系统进行不同温度下的模拟计算。计算结果表明,汽液界面存在热毛细波。界面上的热涨落将使界面变宽,它不仅与界面张力有关,还与温度、界面的横截面积有关。可以把汽液界面上热毛细波的均分根涨落值,作为汽液界面的宽度和粗糙度的指标。     

小尺度不可压粘性气液两相流中分界面拓扑改变的水平集方法数值模拟

用一类不含有重新初始化步骤的水平集方法模拟一小团气体由于浮力上升到气液水平分界面并破裂以及其后的一系列有旋运动过程。气液分界面从两个单连通面开始发生拓扑改变。数值例子中捕获了此运动过程的诸多特征,如胞腔,向上的射流,沿界面的粘性、重力、毛细波,以及从射流断裂开来的更细小的液滴和浪花翻卷。雷诺数可以很小,也可以很大。表面张力,重力加速度也可以在很大范围内变化,这是地面实验难以实现的。     

玻璃基底上平衡态液滴接触角特性

为了了解玻璃基底上平衡态液滴接触角特性,采用实验和理论相结合的方法分析了玻璃基底表面水滴平衡时应满足的热力学条件,得到了液滴汽-液界面形状以及平衡态接触角大小。分析发现,玻璃基底上平衡态液滴接触角是与三相接触线压力相关的热力学参数,当三相接触线曲率一定时,平衡态液滴接触角随三相接触线处压比的增加而增大.同时,考虑到固-液界面吸附特性,根据平衡态时系统亥姆霍兹自由能最小这一热力学判据可以预测出液滴平衡接触角大小,结果和实验值吻合。     

蒸汽空气混合物与过冷水直接接触凝结研究

通过实验研究了矩形通道内蒸汽-空气混合气体与过冷水的直接接触凝结过程。通过可视化窗口,利用高速摄像机发现了蒸汽质量流率150~400 kg/(m~2s),水质量流率6000~8000 kg/(m~2s),水温30℃条件下的三种纯蒸汽凝结流型:泡状流、振荡射流和稳定射流。研究了空气质量分数对凝结流型、壁面温度分布和压力分布的影响,结果表明:随着空气含量的增加,蒸汽在汽液相界面上的凝结变得困难,泡状流和振荡射流的汽液相界面明显变长,稳定射流则变化不大,汽液混合层的厚度明显增加,蒸汽区尾部聚集大量的气泡。此外,随着空气含量的增加,上壁面的温度降低,压力升高,下壁面的温度和压力均升高,且压力峰值点远离蒸汽喷嘴出口,说明汽液相界面变长。     

光谱法测量微射流表面波波长的实验研究

自由圆湍射流的稳定性分析依赖于收集射流界面演变的定量信息:射流表面微细结构。运用高速摄影及显微技术设计实验,对微孔圆柱液体射流表面波进行捕捉。讨论了高速摄影参数对射流捕捉能力的影响。运用谱方法对射流图像作后处理研究,对比分析了谱方法及其算法参数对处理结果的影响。基于所捕捉射流图像选用Burg法对射流表面波长进行测量,并对Burg法准确度进行了验证。实测数据表明:射流表面同时包含多个尺度表面波,且局部雷诺数越大表面波尺度范围越大;射流平均表面波长与基于喷嘴出口边界层厚度的雷诺数成反比;当雷诺数小于48.62时,射流表面波长沿流向,在4倍喷嘴直径范围内单调增加,但当局部雷诺数大于48.62时,波长的单调线性变化将被打破,沿流向呈现非线性波动。     

加热铂丝上运动汽泡产生的射流

目前很多水的核态沸腾都观察到了汽泡顶部射流的现象。本文分析了沿细丝运动的汽泡顶部产生射流的物理机理,并通过对汽泡和加热细丝周围温度场和速度场的数值求解来进行分析。结果显示:由汽泡前后表面的温度梯度引起的热射流很可能是流动的最主要原因。热射流能够推动汽泡前进。对比和试验的观测指出,不凝气体或者其他可能的机理将限制汽泡界面处的凝结换热,从而增大表面温度梯度,增强热射流。     

汽液界面厚度和分维数

本文应用分子动力学模拟方法进行了汽液界面厚度和分维数的模拟研究。用统计系综方法,以氩原子为对象,对长方形模拟盒中粒子数目为2048个的汽液平衡共存系统进行模拟计算。研究了一定条件下汽液界面厚度的取定对确定界面分维数的影响,根据计算模拟结果,提出了可用15~85法则确定界面厚度和分维数。汽液界面在X方向、Y方向和Z方向具有不同的分维数,充分说明了汽液界面的各性异性性质。     

MAPbI_(3-x)Br_x钙钛矿薄膜中溴梯度对界面电荷转移的促进作用（英文）

混合卤素钙钛矿由于具有优异的光物理性质成为了光电子领域应用中的明星材料.因此,钙钛矿材料中光生载流子动力学的探究和调控对于进一步提升材料的性能具有重要意义.本文通过表面离子交换法制备了具有溴梯度的MAPbI_(3-x)Br_x钙钛矿薄膜,并对其内部载流子传输及界面电荷转移动力学过程进行了系统的研究.在MAPbI_(3-x)Br_x薄膜中,溴离子梯度分布所导致的能带梯度能有效促进光生空穴在薄膜内部的传输过程及在界面的提取过程.同时,由于卤素离子交换的后处理方法对薄膜表面起到了修饰作用,薄膜界面处的本征电子转移速率也得到了显著的提升.研究表明,在通过表面后处理方法制备的混合卤素钙钛矿薄膜中,有可能同时实现界面电子和空穴转移速率的提升,这对于进一步提升钙钛矿太阳能电池的能量转换效率具有一定的启发作用.     

相变常数对反应射流气羽影响的数值研究

以Li-SF_6反应射流为能量来源的闭式循环动力系统在水下推进以及航空航天等领域具有广阔的应用前景。本文在欧拉模型和组分输运模型的基础上,结合涡耗散反应速率模型和Lee相变模型对Li-SF_6反应射流过程进行了三维稳态计算,研究了相变常数对反应射流流场以及气羽结构的影响。研究结果表明,反应射流气羽穿透长度随蒸发常数的增加而增加,随凝结常数的增加而减小;在蒸发常数为10~4以及凝结常数为10~6下,气液界面与饱和温度分布一致,模拟计算结果与实验结果符合较好。本文研究结果将为Li-SF_6反应射流的数值模拟奠定基础,也将对Li-SF_6射流反应器的设计和安全运行提供指导。     

喷射器流动结构和性能的数值模拟研究

本文利用Fluent软件对蒸汽喷射器进行数值模拟计算,从射流混合机理角度出发,分析比较了喷射器内工作流体压力、引射流体压力及混合流体出口压力等工作参数变化对喷射系数的影响以及喷射系数变化的原因。结果表明:对给定的喷射器存在一个最佳工作流体压力,在此压力下喷射器可以获得最大喷射系数;随着引射流体压力的增加和出口压力的降低,喷射器的喷射系数逐渐增加。