Y型微通道内双重乳液流动破裂机理

基于体积分数法建立了Y型微通道中双重乳液流动非稳态理论模型,数值模拟研究了Y型微通道内双重乳液破裂情况,详细分析了双重乳液流经Y型微通道时的流场信息以及双重乳液形变参数演化特性,定量地给出了双重乳液流动破裂的驱动以及阻碍作用,揭示了双重乳液破裂流型的内在机理.研究结果表明:流经Y型微通道时,双重乳液受上游压力驱动产生形变,形变过程中乳液两端界面张力差阻碍双重乳液形变破裂,两者正相关;隧道的出现将减缓双重乳液外液滴颈部收缩速率以及沿流向拉伸的速率,并减缓了内液滴沿流向拉伸的速率,其对于内液滴颈部收缩速率影响不大;隧道破裂和不破裂工况临界线可以采用幂律关系式l~*=βCa~b进行预测,隧道破裂和阻塞破裂工况临界线可以采用线性关系l~*=α描述;与单乳液运动相图相比,双重乳液运动相图各工况的分界线关系式系数α和β均相应增大.     

剪切流场中双重乳液稳态形变

建立了不可压缩双重乳液界面行为的理论模型,并可视化实验验证了所建立模型的正确性.基于所建立的理论模型,数值模拟研究了剪切流场中双重乳液的形变机理,探讨了内外液滴半径比及各相工质黏度对其形变特性的影响规律.研究结果表明:在剪切流场中,双重乳液的稳态形变程度随着毛细数的增大而加剧,且内液滴抗形变能力比外液滴更强;随着内外液滴半径比的增大,双重乳液内外液滴间相互作用增强,导致内液滴形变程度增大,同时内液滴抗形变效应逐渐凸显,造成外液滴形变程度减小;双重乳液自身黏性是液滴形变的一种阻力,随着内、外液滴黏度的升高,双重乳液整体形变程度均减小,并且乳液外液滴相黏度变化对双重乳液稳态形变程度的影响更为明显.     

电场对协流式微流控装置中乳液液滴生成行为的调控机理

建立了直流电场作用下协流式微流控装置中单乳液液滴乳化生成过程的非稳态理论模型,并开展了数值模拟研究,揭示了电场对液滴乳化生成动力学行为的调控机理,阐明了流场/电场参数对液滴乳化生成特性的影响规律.研究结果表明:沿流体流动方向施加静电场可在电物性参数不同的两相流体界面法线方向上产生指向内相流体的电场力,进而强化了内相流体界面的颈缩和断裂,提升了液滴生成速率和形变程度,减小了液滴生成尺寸;在同一毛细数下,随着电毛细数的增大,乳液乳化流型由每周期仅有单一液滴生成的滴式流型转变为每周期有一个主液滴并伴随有卫星液滴生成的滴式流型;随着毛细数和电毛细数的增大,黏性拖曳力以及电场力作用增强,使内相流体颈缩过程后期更容易形成细长型液线,从而有助于诱发液线上产生Rayleigh-Plateau不稳定现象,继而促进卫星液滴的形成.     

匀强电场作用下液滴撞击壁面的动态行为

基于Open FOAM开源软件平台,采用VOF方法耦合电场方程组,数值模拟匀强电场作用下液滴撞击壁面的动态行为,研究电场强度、壁面浸润性对液滴行为的影响,获得电场、流场相互耦合作用下液滴周围电荷密度、电势的分布,重点关注电场力、电荷密度和壁面润湿性对液滴拉伸、撕裂的影响。研究结果表明:电场对液滴运动影响显著,电场力促使液滴拉伸高度增加;随着电场强度增强,电荷集中在液滴尖端,导致液滴喷射现象发生。液滴撞击亲水壁面,底部形成泰勒锥,内部出现涡流,随着壁面浸润性的提高,液滴喷射时间提前,液滴底部不会在疏水壁面上黏接。     

电场强度对液滴撞击产生喷射行为的影响

对液滴在电场作用下的撞击及喷射行为的研究是静电喷雾冷却、原油脱水以及表面喷涂、微流控芯片等领域的重要研究内容。通过可视化实验观察了液滴在垂直电场下的撞击、喷射及反弹等运动行为。实验发现,液滴撞击具有超疏水性质的下极板表面上产生的喷射行为会随着场强的升高出现三种不同的模式,第一种模式,液滴撞击壁面后只会分裂一个或两个子液滴,分裂的子液滴体积较大,第二种模式,液滴撞击壁面后会分裂较多的子液滴,子液滴体积较小,第三种模式,液滴撞击壁面后,随着液滴的拉伸,液体截面积急剧缩小,液柱变得细长,最终会呈现出丝状的分裂,在三种模式中,电场力、液滴表面张力、液滴自身重力、库伦斥力和惯性力间的相互影响和耦合作用是出现三种模式的重要原因。     

液滴撞击移动表面动力学特性

试验观测了水滴撞击移动水平铝表面动力学行为,分析了液滴撞击移动表面铺展特征,探讨了液滴不同尾流形态的形成机理。试验研究发现,液滴撞击移动表面存在铺展及拉伸过程。表面剪切力对液滴动力学行为起决定作用,铺展阶段抑制液膜前端液指形成,拉伸阶段促进后端液指产生。表面剪切力对液滴纵向铺展因子影响较大,横向最大铺展因子随剪切韦伯数增大而减小。液滴拉伸后尾流可分为黏附沉积、液指断裂、单液指及多液指四种形态。     

电场作用下微液滴变形和破裂的数值研究

采用电场对微液滴进行精确操控在化工、生物医学、能源和环境领域具有广阔的应用前景。准确预测外加电场作用下黏性液滴的变形与破裂行为,是精确操控微液滴行为的重要前提。本文基于漏电介质模型发展格子Boltzmann有限差分混合数值方法对恒稳电场作用下的液滴变形与破裂行为进行研究,结果表明:本文数值方法可对恒稳电场作用下液滴的小变形进行准确预测,验证了该模型的有效性和准确性;对于沿垂直于电场方向变形的液滴(扁平型),液滴随电场毛细数的增加呈现四种不同的形态:椭圆形、类椭圆形、哑铃型和破裂;对于沿电场方向变形的液滴(扁长型),其变形参数随电场毛细数的变化与扁平型液滴显著不同,液滴呈现的形态包括椭圆形、类椭圆形、周期振荡和破裂。在液滴变形阶段,扁平或扁长型液滴均随电场毛细数的增加而变形增大;液滴破裂阶段,破裂所需时间均随电场毛细数的增加而缩短。研究工作为深刻认识电场作用下微液滴变形和破裂机制提供理论基础。     

电润湿液滴微流控芯片液滴驱动的EHD数值模拟

利用液滴电水动力学方法,通过求解耦合的N-S方程,VOF方程以及电场方程,首次对电润湿非接地型单板式(开放式)液滴微流控芯片的液滴驱动过程进行了数值模拟研究.结果表明,在液滴向驱动电极运动的过程中,液滴形态呈现摇摆特性,前进和后退接触角呈现震荡特性,液滴运动速度逐渐下降,并最终停留在零电极和驱动电极的中间位置.     

流动聚焦微通道中双重乳液乳化行为研究

本文基于VOF(Volume of Fluid)相界面追踪方法,建立了流动聚焦微通道中双乳液液滴形成的模型,研究了互不相溶的三种流体在微流控系统中形成双重液滴的典型物理过程,给出了双重液滴形成的典型工况,分析了流动参数和工质物性对液滴形成过程的影响。结果表明:双重乳液液滴形成过程可分为滴式与喷式两种模式;外流体流量增大时液滴形成模式由滴式转变为喷式,所形成的双重液滴尺寸减小;中间流体流量变化对液滴形成模式、所形成的双重乳液内液滴尺寸影响不明显,外液滴随中间流体流量增大而增大。     

具有复杂界面的三维弹性液滴动力学模拟

具有复杂界面特性(如界面弹性、界面抗弯特性等)的弹性液滴(如血液细胞)的动力学行为对理解血流等液滴群流动极其重要。本文采用界面追踪法(Front tracking method)捕捉界面演变,界面有限元考虑界面弹性和抗弯特性,有限差分法求解控制方程,发展了研究复杂界面液滴动力学的直接数值模拟方法。通过模拟球形弹性液滴的变形运动验证了该方法的准确性,进而研究了线性剪切流场中弹性液滴的坦克履带式、摇摆式和翻滚式运动。     

直接甲醇燃料电池阴极水淹过程实验研究

对自制可视化直接甲醇燃料电池单体阴极流场内液滴生长特性、氧气流量和氧气进气温度对流场水淹及电池性能的影响进行了实验研究.结果表明:平行流场中首个液滴大多在流场右上区域冒出;流场中新液滴的出现具有瞬间涌出特性,并优先在流场板和扩散层交界的夹角处及扩散层表面碳纤维束交叉处产生;液滴生长过程具有非连续性,与流道边壁相接触的液滴和液柱的生长速度均大于未接触流道边壁的液滴生长速度,而且液柱有逆气流方向反向生长现象.氧气流量及氧气进气温度的升高,均导致阴极流道内液态水和流场中大液滴数量及形成液柱的长度减少,促使电池性能提高.     

单个汽泡周围的电场数值研究

为明晰电场对汽—液两相系统的效应,本文针对均匀电场作用下的汽液两相流中附着于壁面的单个汽泡,建立了数学模型,考虑了汽泡的存在对电场分布的影响。通过求解电场控制方程,得到了均匀电场作用下汽泡周围及其内部的电势及电场分布的数值解。这为进一步研究 EHD 作用下的两相系统中汽泡的行为,揭示 EHD强化沸腾换热机理奠定了基础。     

偏晶合金液-液相分离的格子玻尔兹曼方法模拟

本文建立了一个模拟在弥散相液滴的扩散长大、碰撞凝并和Ostwald熟化等因素的作用下偏晶合金液-液相分离过程的二维格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 模型.该模型结合了Shan-Chen的两相流模型和Qin的介观粒子相互作用势模型的优点,并在LB演化方程中引入了反映相变的源项.应用该模型模拟研究了偏晶合金液-液相分离过程中单液滴的生长、两液滴的合并和多液滴的生长规律.结果表明在两液相区中第二相单个液滴的生长是一个通过扩散从非平衡态到平衡态过渡的过程.两液滴合并 关键词： 偏晶合金 液-液相分离 格子玻尔兹曼方法     

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.     

非牛顿流体液滴袋状破碎的数值模拟研究

本文利用简化的水平集–流体体积耦合算法(S-CLSVOF)及自适应网格加密技术,对非牛顿流体液滴袋状破碎过程进行三维数值模拟。基于Herschel-Bulkley型非牛顿流体模型,计算分析了在不同韦伯数下液滴袋状破碎的形变程度、气液界面发展过程及曳力系数变化趋势。结果表明:在低奥内佐格数下的液滴袋状破碎过程中,非牛顿流体相较于牛顿流体在破碎后出现了较为明显的液丝。而随着韦伯数增大,非牛顿流体液滴在流向与径向上的形变程度加剧,曳力系数增大,气液界面变化显著。     

带自由面流体的多体耗散粒子动力学模拟

利用多体耗散粒子动力学(MDPD)方法对介观尺度下液滴动力学进行了模拟分析,探讨了MDPD系统中液气共存界面的形成,并对表面张力进行了模拟研究,研究结果表明,MDPD方法形成的液气共存界面满足Laplace定律,通过改变不同的粒子间保守力作用参数,获得了液滴在固体壁面上不同的接触角,并研究了保守力作用参数与接触角之间的变化规律,进一步模拟了液滴在复杂微通道内的流动,研究结果有助于解释带自由面流体在粗糙表面上的运动行为。     

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.     

直流电场作用下生物柴油液滴的雾化特性和燃烧特性研究

设计搭建了电场作用下燃油液滴燃烧实验装置,对比了不同电压下生物柴油液滴的形态演变、变形程度、子液滴等行为,分析了不同电压下液滴火焰形貌演变、火焰尺寸等燃烧特性及最高液滴温度变化。结果表明,电压为3 k V和4 k V的电场会诱发生物柴油液滴产生锥射流,其破碎生成子液滴,尺寸范围为20～120μm,速度基本低于2.5 m·s^-1;受电场对火焰和液滴的综合影响,火焰变化主要表现为高度减小、宽度增大,纵横比减小;电压为1 k V和2 k V的电场降低了最高液滴温度,而当电压增加至3 k V和4 k V时最高液滴温度增加。     

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.     

电场作用下银纳米流体的可调谐双折射行为

用微乳液法制备了一种银纳米流体,并研究了该流体在电场作用下的光学行为。He-Ne激光束(λ=632.8 nm)垂直于电场方向,以5°入射角通过银纳米流体,当施加电场时出现明显的双折射。在相同的电场作用下o光和e光折射率随着体积比的增加而增加;同一体积比的银纳米流体的折射率随着电场的增大而变小;电场强度为0 kV·mm~(-1)时并没有出现双折射现象。实验结果表明:无论是在相同电场时折射率随体积比的变化量,还是在相同体积比时折射率随电场强度的变化量,e光总是大于o光。