非等温粗糙表面液滴撞击特性试验与仿真研究

非等温固体表面液滴碰撞现象广泛存在于航空航天领域机械零部件中,液滴碰撞动力学行为的研究对提升机械零部件传热换热以及润滑性能具有重要意义.为获得液滴在非等温粗糙表面的撞击特性,研究了硅油在金属表面撞击、铺展和回缩的动力学行为,并着重分析了硅油黏度、撞击速度、油滴初始直径、金属表面粗糙度及温度对硅油撞击特性的影响.结果表明,在等温表面,液滴最大铺展直径与撞击速度、基体表面温度及液滴初始直径正相关,与基体表面粗糙度、硅油黏度负相关;当表面粗糙度介于6.3～25μm时,其对液滴最大铺展直径影响较小;在非等温表面,液滴回缩过程中少量液体残留并形成尾迹,且残留尾迹随基体温度升高而愈发明显;随后数值模拟了硅油在非等温粗糙表面的碰撞过程,并揭示了基体温度和表面粗糙度的影响机制.本文中研究成果为理解非等温粗糙金属表面液滴的撞击行为提供了丰富的理论和试验依据.     

表面织构与离子液体润滑组合体系的摩擦学性能研究

利用激光加工技术在钛合金表面构建不同尺寸的圆形微坑织构图案. 利用MS-T3001型试验机测试了圆形微坑织构、离子液体[1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酰胺盐和十四烷基三丁基季鏻双(2-乙基己基)磷酸盐]及二者构成润滑组合的摩擦磨损性能. 利用金相显微镜观察圆形微坑织构的尺寸和表面形貌,利用扫描电镜分析摩擦过程前后织构化表面的形貌,采用ANSYS Fluent软件模拟分析表面织构参数和离子液体理化性质对摩擦学性能的影响. 结果表明,表面织构、离子液体、表面织构与离子液体的复合体系均展示了良好的减摩抗磨性能. 优化表面织构与离子液体的组合能够提升润滑体系的摩擦学性能. 表面织构与离子液体组成的复合润滑体系,摩擦系数随圆形微坑织构直径的增大而减小,归因于圆形微坑织构能够储存磨屑和离子液体并形成稳定的离子液体润滑薄膜,黏度较大的离子液体在收敛区间产生楔形效应,导致对上摩擦副升力增大.      

基于表面力模型的液滴冲击弹性基底SPH模拟

采用光滑粒子动力学SPH方法建立液滴冲击弹性基底的流固耦合数值模型,给出描述粘性流体和弹性固体运动的SPH离散方程和数值处理格式,引入人工耗散项来抑制标准SPH方法的数值震荡。为模拟液滴的表面张力效应,通过精确检测边界粒子,采用拉格朗日插值方法计算表面法向量和曲率,结合界面理论中的连续表面力CSF方法,建立了适用于自由表面液滴的表面力模型,方形液滴变形的模拟结果与拉普拉斯理论解吻合较好。随后,采用SPH流固耦合模型模拟1.0 mm直径水滴以不同速度(0.2 m/s～3.0 m/s)冲击两种薄板型基底,分析了基底弹性变形对液滴铺展、收缩以及回弹行为的影响。     

梯度润湿表面上液滴定向迁移及合并行为的格子Boltzmann模拟

采用改进的格子Boltzmann方法,对梯度润湿性表面上液滴的定向迁移及合并行为进行了数值模拟,该模型在精度和稳定性上都有很大改善,同时,研究了梯度润湿性表面上液滴定向迁移和合并的动力学特性,并对液滴尺寸及润湿梯度对液滴动力学特性的影响规律进行了分析。数值结果表明,液滴在梯度润湿性表面运动时会发生形变,且动态接触角逐渐减小。润湿梯度对液滴定向迁移行为有显著影响,润湿梯度越大,液滴左右侧接触线位移越大,润湿长度增加越快。但是液滴尺寸对接触线位移影响较小。润湿梯度对液桥宽度基本无影响,但对液滴初始合并时间有显著影响。     

磨合过程中液体润滑实现超低摩擦的混合模型研究

针对球-盘滑动试验,在磨合过程中获得超低摩擦的液体润滑状态,建立耦合流体润滑、粗糙接触力学、Archard磨损方程和相关物理参数(液体黏度、表面粗糙度和磨损系数)时变函数的混合模型,研究磨合过程中液体润滑的摩擦系数演化.通过数值模拟结果可知：在磨合过程中,润滑介质等效黏度增大,形成流体动压润滑薄膜,有效隔开粗糙表面;其次在磨合过程中,新生成的表面粗糙度降低,减少粗糙峰承载比,实现超低摩擦润滑状态;最后在适当的液体黏度和提高表界面效应减少边界摩擦系数,可进一步实现液体超低摩擦润滑状态.为磨合过程宏观液体润滑性能演化所建立的混合数值模型对提高液体润滑超低摩擦设计效率具有重要价值意义.     

梯度润湿表面上液滴定向迁移及合并行为的格子Boltzmann模拟

采用改进的格子Boltzmann方法,对梯度润湿性表面上液滴的定向迁移及合并行为进行了数值模拟,该模型在精度和稳定性上都有很大改善,同时,研究了梯度润湿性表面上液滴定向迁移和合并的动力学特性,并对液滴尺寸及润湿梯度对液滴动力学特性的影响规律进行了分析。数值结果表明,液滴在梯度润湿性表面运动时会发生形变,且动态接触角逐渐减小。润湿梯度对液滴定向迁移行为有显著影响,润湿梯度越大,液滴左右侧接触线位移越大,润湿长度增加越快。但是液滴尺寸对接触线位移影响较小。润湿梯度对液桥宽度基本无影响,但对液滴初始合并时间有显著影响。     

平壁液滴静态铺展影响因素的研究

通过建立液滴撞击固体平壁的静态铺展力学平衡的数学模型,从理论上得到了静态铺展半径与液滴物性参数、以及液滴与固体壁面接触角之间关系的数学表达式,将理论结果与数值模拟的结果进行了比较,两者吻合较好.比较了不同条件下液滴的静态铺展半径的变化规律,分别得到了液滴密度、体积、表面张力和接触角等因素对液滴静态铺展半径的影响规律.      

纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究

纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.      

纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究

纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.     

固体表面润湿性对滑块-盘接触润滑供油的影响

基于荧光技术,研究了固体表面润湿性对滑块-盘面接触供油的影响. 试验中以静止滑块和旋转玻璃盘构成摩擦副,润滑油围绕该面接触区构成一个供油油池. 结果表明:充分供油条件下,滑块表面的润湿性影响油池润滑剂的分布,但仍能保证接触区润滑剂的充分供给. 限量供油条件下,接触区外滑块表面润湿性影响了油池分布以及入口润滑剂的供给,低润湿性加剧接触区乏油程度,直接导致膜厚的降低. 润滑剂的高表面张力及在盘表面的低粘附都会改善润滑剂在润滑轨道上的回流;润滑剂在盘表面的反润湿现象导致了离散分布的微液滴,对润滑轨道上的回流和润滑油膜的形成起到了正面作用.      

CHARACTERISTIC OF DROPLET OSCILLATION ON THE SURFACE OF RECTANGULAR HYDROPHOBIC GROOVES

液滴振荡行为是液滴运动中的重要伴随现象,具有重要科研价值.由于液滴撞击疏水沟槽板时运动行为与光滑表面明显不同,可以推测疏水沟槽表面液滴振荡特性也将会呈现与众不同的行为特点.采用高速摄像技术,研究了矩形疏水沟槽表面上水滴高度和接触线振荡行为随沟槽尺寸和撞击速度的变化规律.结果发现,矩形疏水沟槽造成的各向润湿异性使得振荡过程中水滴在平行沟槽方向上的接触线长度大于垂直方向,但并不影响水滴高度方向上衰减振荡的周期,即水滴振荡周期与沟槽间距无关;同时由于疏水沟槽表面上存在能垒束缚效应,致使水滴振荡过程中接触线的铺展和回缩运动不服从典型阻尼振荡规律,而呈现振荡数次后直接趋稳的特点.如水滴以0.61 m/s撞击时,接触线经历2次振荡后即维持稳定,但此时水滴仍在持续振荡中.另外,还初步分析了水滴振荡周期与沟槽间距无关的原因.     

Experimental simulation of capillary effect on rough flat surfaces

The movement of the liquid column inside the slit was utilized to experimentally simulate the characteristics of the capillary force per unit length for different rough flat surfaces. The movement of the liquid column was achieved by continuously changing the slit interval. The maximum climb height and contact angle of the liquid column were observed during this process to study the relationship between capillary force and contact surface roughness. Based on the assumption that the microstructures on the rough surfaces are of the same form and continuously and uniformly distributed, it is shown that the capillary force per unit length under homogeneous wetting is independent of the roughness. For heterogeneous wetting, the capillary force per unit length is positively correlated with the roughness. The results also indicate that the appearance of “contact line pinning” is caused by insufficient capillary force along the direction of liquid column movement.     

基于SPH方法的湿润性固壁边界条件模拟研究

固体壁面由于表面特殊结构和材料属性,时常表现出对交界面上水体的吸附作用,而这一特征对微小水体作用尤为明显。本文提出了一种湿润性固壁边界条件的计算方法,即假设壁面粒子的亲水性以及毛细吸附作用统一表现为对支持域内流体粒子的吸附力。基于光滑粒子流体动力学（SPH）方法,模拟了静态液滴在不同湿润性壁面上的变形至稳定过程。模拟了液滴撞击疏水壁面的过程,将液滴的运动过程分为碰撞、铺展、回缩和回弹四个阶段,分析各阶段壁面受力分布情况。研究表明：根据模拟液滴静态接触角的变化特点,本文湿润性固壁边界条件可以较好的反映出壁面湿润性;液滴撞击输水表面的模拟数据与试验结果趋势上吻合良好;壁面压力波伴随着液滴的铺展和回缩传播并衰减;只有在回弹后期液滴即将脱离壁面时壁面拉力起主导作用,其余各时刻壁面均以压力为主。     

基于LS-DYNA的热成型钢断裂失效预测研究

固体壁面由于表面特殊结构和材料属性,时常表现出对交界面上水体的吸附作用,而这一特征对微小水体作用尤为明显。本文提出了一种湿润性固壁边界条件的计算方法,即假设壁面粒子的亲水性以及毛细吸附作用统一表现为对支持域内流体粒子的吸附力。基于光滑粒子流体动力学（SPH）方法,模拟了静态液滴在不同湿润性壁面上的变形至稳定过程。模拟了液滴撞击疏水壁面的过程,将液滴的运动过程分为碰撞、铺展、回缩和回弹四个阶段,分析各阶段壁面受力分布情况。研究表明：根据模拟液滴静态接触角的变化特点,本文湿润性固壁边界条件可以较好的反映出壁面湿润性;液滴撞击输水表面的模拟数据与试验结果趋势上吻合良好;壁面压力波伴随着液滴的铺展和回缩传播并衰减;只有在回弹后期液滴即将脱离壁面时壁面拉力起主导作用,其余各时刻壁面均以压力为主。     

Spreading dynamics of droplet on an inclined surface

A three-dimensional unsteady theoretical model of droplet spreading process on an inclined surface is developed and numerically analyzed to investigate the droplet spreading dynamics via the lattice Boltzmann simulation. The contact line motion and morphology evolution for the droplet spreading on an inclined surface, which are, respectively, represented by the advancing/receding spreading factor and droplet wetted length, are evaluated and analyzed. The effects of surface wettability and inclination on the droplet spreading behaviors are examined. The results indicate that, dominated by gravity and capillarity, the droplet experiences a complex asymmetric deformation and sliding motion after the droplet comes into contact with the inclined surfaces. The droplet firstly deforms near the solid surface and mainly exhibits a radial expansion flow in the start-up stage. An evident sliding-down motion along the inclination is observed in the middle stage. And the surface-tension-driven retraction occurs during the retract stage. Increases in inclination angle and equilibrium contact angle lead to a faster droplet motion and a smaller wetted area. In addition, increases in equilibrium contact angle lead to a shorter duration time of the middle stage and an earlier entry into the retract stage.     

Spontaneous Inertial Imbibition in Porous Media Using a Fractal Representation of Pore Wall Rugosity

Considering the separable phenomena of imbibition in complex fine porous media as a function of timescale, it is noted that there are two discrete imbibition rate regimes when expressed in the Lucas–Washburn (L–W) equation. Commonly, to account for this deviation from the single equivalent hydraulic capillary, experimentalists propose an effective contact angle change. In this work, we consider rather the general term of the Wilhelmy wetting force regarding the wetting line length, and apply a proposed increase in the liquid–solid contact line and wetting force provided by the introduction of surface meso/nanoscale structure to the pore wall roughness. An experimental surface pore wall feature size regarding the rugosity area is determined by means of capillary condensation during nitrogen gas sorption in a ground calcium carbonate tablet compact. On this nano size scale, a fractal structure of pore wall is proposed to characterize for the internal rugosity of the porous medium. Comparative models based on the Lucas–Washburn and Bosanquet inertial absorption equations, respectively, for the short timescale imbibition are constructed by applying the extended wetting line length and wetting force to the equivalent hydraulic capillary observed at the long timescale imbibition. The results comparing the models adopting the fractal structure with experimental imbibition rate suggest that the L–W equation at the short timescale cannot match experiment, but that the inertial plug flow in the Bosanquet equation matches the experimental results very well. If the fractal structure can be supported in nature, then this stresses the role of the inertial term in the initial stage of imbibition. Relaxation to a smooth-walled capillary then takes place over the longer timescale as the surface rugosity wetting is overwhelmed by the pore condensation and film flow of the liquid ahead of the bulk wetting front, and thus to a smooth walled capillary undergoing permeation viscosity-controlled flow.     

STATIC SPREADING OF DROPLET IMPACT ON SOLID SURFACE：INFLUENCE FACTOR

通过建立液滴撞击固体平壁的静态铺展力学平衡的数学模型,从理论上得到了静态铺展半径与液滴物性参数、以及液滴与固体壁面接触角之间关系的数学表达式,将理论结果与数值模拟的结果进行了比较,两者吻合较好.比较了不同条件下液滴的静态铺展半径的变化规律,分别得到了液滴密度、体积、表面张力和接触角等因素对液滴静态铺展半径的影响规律.