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。     

超临界环境条件对碳氢燃料液滴燃烧特性的影响

利用开发的液滴燃烧模型,研究了环境压力、温度以及液滴初始温度对液滴燃烧特性的影响。结果表明:在燃料的临界压力下液滴的燃烧寿命最短。随着环境压力的升高,着火延迟逐渐缩短,火焰半径逐渐减小,并且火焰温度在快速上升期的上升速度逐渐减慢。随着环境温度的升高,液滴寿命和着火延迟均逐渐变短,火焰半径逐渐增大。随着液滴初始温度的升高,液滴寿命和着火延迟均线性减小,液滴初始温度只会使液滴的燃烧过程整体提前或延后。     

苄基叠氮-正十六烷液滴蒸发特性试验研究

为了排除多组分燃油沸点差异性的影响,本文利用正十六烷代替柴油,采用挂滴法研究了不同环境温度下30%配比苄基叠氮-正十六烷液滴的蒸发特性。试验结果表明,在低温423 K下,由于苄基叠氮化合物没有发生分解反应,30%苄基叠氮-正十六烷液滴蒸发特征与正十六烷基本相同,表现出两阶段蒸发特征。在高温723 K下,分解反应的发生使得30%苄基叠氮-正十六烷蒸发的阶段性特征发生根本改变,归一化液滴直径平方曲线呈现出波动,液滴生存时间缩短。同时,在蒸发过程还观察到气泡产生、膨胀和喷气现象。而且,随着环境温度的升高,苄基叠氮化合物分解阶段Δt_(bah2)的加速是缩短液滴生存时间的主要原因。     

界面原子扩散对SmCo/Fe交换弹簧双层膜磁性能影响的微磁学研究

本文通过三维微磁学数值模拟,研究了界面处原子扩散形成的界面层对易轴平行和垂直膜面取向SmCo/Fe双层膜磁性能的影响.当易轴取向平行膜面时,体系成核在第二象限.随着界面层厚度的增加,尽管剩磁逐渐减小,而成核场和钉扎场逐渐增加,以致最大磁能积先增加后减小,直至体系由交换弹簧磁体过渡到刚性磁体.当易轴取向垂直膜面时,随着界面层厚度的增加,体系成核由第一象限逐渐过渡到第二象限,虽然钉扎场从减小、不变到略有增加,但成核场和剩磁逐渐增加,导致最大磁能积逐渐增加.在退磁过程中,膜面内自旋偏转:易轴平行膜面取向系统显示了 flower态和C态的产生与消失的过程;而易轴垂直膜面取向系统显示了vortex态的产生与消失的过程.随着易轴平行膜面SmCo/Fe双层膜界面层中SmCo原子扩散比例的增加,成核场和钉扎场增加但剩磁减小,最大磁能积先增加后降低.当易轴两种取向时,对任一界面层厚度,成核场随界面交换耦合常数的增大而增大,这表明界面层的存在增强了硬磁/软磁层之间的交换耦合作用.本文建立的模型很好地模拟了相关的实验结果[2007 Appl. Phys. Lett. 91 072509].     

苄基叠氮化合物液滴蒸发特性试验研究

为了探究叠氮复合柴油实现快速燃烧的根本原因,本文在挂滴试验装置上利用高速摄像技术观察了初始直径为1.42 mm的苄基叠氮化合物液滴蒸发过程中的形态变化,研究了环境温度对液滴蒸发特性的影响。试验结果表明当环境温度达到苄基叠氮化合物发生液相化学反应的温度时,液滴的蒸发特性将发生根本改变,而且在液滴蒸发过程中观察到了液滴变形、气泡产生和膨胀、喷气、微爆等四种主要现象,这一强烈的反应是液滴内部的苄基叠氮化合物在液相中分解高速释放出的N_2所引起地。     

流体机械微气泡发生器的结构优化研究

本文基于CFD技术对文丘里式微气泡发生器进行了研究，分析了微气泡发生器内流动特性及微气泡在管内扩散段的发展过程，得出气泡在湍流剪切作用下逐渐破碎。同时，分析了喉部、渐扩角对气泡发生器发泡性能的影响规律，通过实验对模拟结果进行了验证。结果表明：随着喉部内径的增大，气泡粒径呈逐渐增大趋势，入口压力也逐渐增大；随着扩张角的增大，气泡粒径呈先减小后增大的趋势；改变喉部结构形式，当采用阶梯喉部结构时，气泡粒径更小。     

快速降压下Tween20 液滴真空闪蒸特性

为探究闪蒸喷雾冷却的微观机理, 设计并搭建了液滴悬挂式真空闪蒸实验装置, 利用可视化窗口探究Tween20 液滴闪蒸过程中的闪蒸特性及气泡生长机理. 液滴在快速降压过程中形态会经历气泡成核、气泡生长、伴随气泡生长、爆裂这四个阶段的变化, 并反复循环这一过程直至液滴稳定蒸发. 对于液滴温度的变化, 闪蒸室的终态压力起到了决定性的作用, 并且其终态温度随压力的升高明显上升. 同时通过液滴闪蒸过程形态图分析发现, 液滴在剧烈爆炸阶段其温度也发生明显下降; 在稳定蒸发阶段, 其温度也将开始稳定不变. 因此可知液滴的剧烈爆炸会带走其自身的大量热量. 而 Tween20 浓度对液滴温度的影响微乎其微, 但其会使液滴内气泡的初始成核时间发生明显滞后, 并抑制液滴内的气泡发生破裂.     

丁二酸-水纳米气溶胶液滴表面张力的分子动力学研究

表面张力在纳米气溶胶颗粒的吸湿生长研究中具有重要意义,然而现有实验方法不能对其准确测量.本文基于分子动力学方法模拟了丁二酸气溶胶颗粒吸湿生长形成稳定液滴的动力学过程,在此基础上,建立模型计算了液滴的表面张力,进而探究了温度、粒径和丁二酸浓度对纳米液滴表面张力的影响机制.结果表明,随着温度从260 K升高到320 K,液滴内分子间作用力的减弱导致了液滴表面张力的减小,且表面张力的减小程度随丁二酸浓度的增大而增大,究其主要原因在于液滴中丁二酸分子的径向分布随温度和丁二酸浓度变化的差异;随着粒径的增大,液滴表面张力先增大后趋于定值,且粒径对表面张力的显著影响区间随着丁二酸浓度的增大而缩短;研究还发现,丁二酸分子的表面活性导致液滴表面张力随着丁二酸浓度的增大而减小,且减小趋势符合对数函数形式,尤其是在粒径小于6.12 nm时,同时,基于Szyszkowski公式对液滴的表面张力进行了拟合.本文研究成果能为气溶胶颗粒的吸湿生长和相关动力学过程预测理论及模型的改进提供参数依据.     

柴油两段喷射碳烟生成的光学测试研究

本文基于高温高压定容燃烧弹系统,以孔径为0.12 mm的单孔喷油器为研究对象,采用扩散背景光消光法测量国V 0号柴油两段喷射火焰中的碳烟生成特性。试验过程中,研究了不同背压、环境温度和喷油时间间隔对碳烟生成的初始时刻和KL值时空特性分布的影响。研究发现:第一次油束对第二次的碳烟生成初始时刻的影响随着环境背压的增加和环境温度的提高而减弱,而随着喷油间隔的增加展现了先减小后增大的趋势。第二次喷油火焰中碳烟的初始生成时刻在喷油间隔383 μs时最短。两次喷油火焰中的碳烟在喷雾轴线上的KL值随着背压和环境温度的升高而升高。喷油间隔并未对第二次喷油稳定火焰的KL峰值产生明显影响。     

单元推进剂液滴在高温高压下的微爆现象观测

 利用挂滴装置和高速摄影系统研究了单元推进剂LP1846液滴在0.2～4.0 MPa、673～973 K工况下的微爆特性。观察到液滴在不同环境压力和温度下的3种微爆模式,即液滴在着火前的轻度破碎、液滴在燃烧时的部分破碎和全部爆碎,并给出了微爆过程的特征照片,定量测试了液滴微爆延迟期、微爆温度和微爆直径与环境压力、温度的关系。初步分析了液滴微爆机理,认为第一种微爆机理主要是水组分的过热,第二、三种微爆机理是液相化学反应。研究结果对控制LP1846燃烧稳定性和指导液体发射药火炮内弹道设计均有参考价值。     

微气泡形成过程及温度影响

运用平衡态分子动力学理论对含有液氩分子微正则系统的微气泡的形成过程进行模拟.采用五阶预估-校正有限差分法对每个分子的牛顿运动方程进行求解,该方法能够较好地满足能世守恒特性.通过统计各时刻系统的动能,势能以及总能量,得到了气泡生长过程中各相分子的分布形貌,并且分析了温度对气泡生长过程的影响及相界面不稳定的原因.模拟得到:气泡形成过程可分成四部分:团聚段、成核段、等温成长段以及等压成长段,以此粗略估计气泡的成核时间大约为0.2×10-11s.温度对于沸腾的团聚和成核时间没有影响.当过热度大于22 K时,随着过热度增大,两相区域数密度波动特别大.相界面不稳定是气泡的破碎引起的.     

气泡/液滴Marangoni迁移数值模拟研究

本文利用Level Set方法,数值模拟了微重力情况下气泡/液滴的Marangoni迁移现象,分析了Marangoni数对迁移速度的影响。数值模拟结果表明,随着Marangoni数的增大,非线性热对流效应的影响会逐渐增大,导致沿相界面温度分布趋于均匀,从而降低迁移运动的驱动力,使气泡/液滴的迁移速度随Marangoni数的增加而逐渐减小。     

液滴撞击微尺度矩形沟槽表面的数值研究

采用CLSVOF方法建立了液滴撞击微尺度矩形沟槽表面的三维数值模型,对撞击过程中的动态特性及传热特性进行了数值研究。分析了液滴在微尺度矩形沟槽表面的润湿状态,给出了液滴润湿状态转变的临界速度。研究了表面接触角及撞击速度对液滴铺展特性的影响。数值研究结果表明:微尺度沟梢结构会使液滴在撞击后产生横纵差异。液滴的最大铺展因子随着撞击表面接触角的增大而减小,随着撞击速度的增大而增大。液滴撞击微尺度矩形沟槽表面后,撞击表面的热流量先增大后减小。撞击表面的最大热流量受到表面接触角与沟槽深度的耦合作用,撞击表面的最大热流量随着表面接触角的增大而减小。     

单液滴高温静止空气环境着火模型

航空煤油等液体燃料在高温环境中会发生单液滴着火(带着独立火焰蒸发)现象,本文首先实验测量了煤油、RP3航空煤油和柴油单液滴在855 K到1085 K的温度范围内静止空气环境下,液滴最低着火温度和初始直径的数据。结果显示:在实验温度范围内,煤油、RP3航空煤油和柴油单液滴着火的最小初始直径随环境温度的升高而减小,随环境温度的降低而增大。原因在于同样温度环境下大液滴能够提供足够浓度的混气发生着火现象。在相同环境温度下,煤油单液滴能够着火的最小初始直径最大,其次是柴油液滴,而航空煤油液滴能够着火的最小初始直径最小。本文在Frank-Kamenetskii分析基础上,进一步推导了高温静止空气环境下单液滴着火预测模型,所得模型预测结果与实验数据相符。     

复杂微通道内气泡在浮力作用下上升行为的格子Boltzmann方法模拟

本文采用气-液两相流格子Boltzmann方法模拟了复杂微通道内气泡在浮力作用下的上升过程,主要研究障碍物表面润湿性、浮力大小、障碍物尺寸和气泡初始位置对气泡变形、分裂、合并的动力学行为以及对气泡上升速度、终端速度和气泡剩余质量的运动特性的影响.研究发现,障碍物表面接触角较小时气泡能够完整地通过障碍物通道,随着障碍物表面接触角增加,气泡通过障碍物通道时严重变形,并会发生分裂行为,使得部分气泡黏附在障碍物表面,从而导致气泡到达终端时质量减少.相应地,气泡上升速度以及终端速度也随着微通道表面接触角的增加而减小.另一方面,随着浮力的增加,气泡在上升过程中更容易发生分裂和合并现象,且气泡剩余质量和终端速度随着浮力的增加呈对数形式增加.此外,随着微通道障碍物半径增加,气泡剩余质量首先缓慢减小然后快速减小,而气泡终端速度近似呈线性减小.最后,数值结果还表明当气泡初始位置偏离管道中间时,其上升速度、气泡剩余质量以及气泡终端速度都与初始位置在管道中间时的变化趋势一致,然而对应的数值均减小,且气泡在上升过程中变形更严重.     

离子液体液滴在加热平板上的铺展特性研究

采用FLIR红外热像仪对离子液体及其水溶液液滴撞击加热平板后的表面温度分布进行研究,分析了液滴铺展直径随平板加热温度及加热时间的变化规律。结果表明:随着液滴与平板加热时间的增加,液滴表面温度分布均由凹状分布变化至均匀分布;随着平板温度的增加,液滴表面温度增加。随着加热时间的增加,水液滴直径缓慢减小,并在某一时刻急剧降低;而对于60wt%离子液体液滴及纯离子液体液滴,液滴直径反而缓慢增加并趋于稳定。随着加热温度的增加,水液滴直径急剧降低的时刻点前移,对于60wt%离子液体溶液液滴,液滴直径变化规律不明显,而对于纯离子液体液滴,液滴直径逐渐增加。     

上浮气泡在壁面处的弹跳特性研究

本文针对毫米量级的上浮气泡在壁面处的弹跳现象进行数值研究.基于势流方法求解气泡的运动,同时考虑气泡的表面张力作用.在伯努利方程中,对气泡与壁面之间水膜中因黏性引起的压力梯度进行修正,开发相应的计算程序,计算值与实验值符合良好.从气泡弹跳的基本现象入手,研究了特征参数对气泡弹跳过程的动态特性以及最终平衡形态的影响.发现随着泡在撞击壁面之前上浮距离增大,气泡回弹距离和弹跳周期增加,但是当上浮距离增加到一定程度后将不会影响气泡的弹跳特性;表面张力是影响气泡弹跳特性的重要因素,气泡的弹跳周期随其增大逐渐减小,但回弹距离却呈现先增后减的规律;最后,影响气泡最终平衡形态的主要因素是气泡的浮力参数与韦伯数.     

低温环境下水平铜表面液滴冻结的实验研究

本文实验研究了低温受迫对流条件下空气参数对水平冷表面上液滴冻结的影响。冷表面温度分别为-15.5℃和-19.5℃,空气温度变化范围为-6～8.5℃,相对湿度变化范围为50%～80%,空气流速变化范围为1.0～9.0 m/s。结果表明,冷表面上液滴冻结的时间随冷面温度的升高而增加,随空气相对湿度的升高而减小。另外,空气温度和流速对冷表面液滴冻结也有较大的影响,随着空气温度和流速的增加,液滴冻结时间先减小后增大。     

气泡成核过程的格子Boltzmann方法模拟

利用精确差分格子Boltzmann模型探讨水在特定温度下的亚稳态及不稳定平衡态, 获得等温相变过程中形成气泡和液滴的条件, 模型预测结果与理论解符合良好. 在该等温模型的基础上耦合能量方程, 通过调节流体-壁面相互作用力获得不同的气泡与固壁间接触角, 从而建立了一种新的描述气液相变的格子Boltzmann理论模型. 利用该新模型模拟不同流体-壁面相互作用力下凹坑气泡成核过程, 再现了气泡成核过程中的三阶段特性; 探讨了接触角、曲率半径及气泡体积随气泡成核过程的变化关系, 获得了与文献结果定性符合的曲率-气泡体积关系曲线. 关键词： 格子Boltzmann方法 气泡成核过程 气液相变 接触角     

石墨表面熔融硅的润湿行为研究

熔融硅在石墨表面的润湿规律对于超薄硅片的横向拉模制造尤为重要.本文利用COMSOL软件模拟了理想条件下熔融硅在光滑石墨表面的润湿过程,并借助高温高真空接触角测量仪对高温条件下石墨表面熔融硅的润湿性能开展了实验研究.考察了石墨表面粗糙度(R_a=0.721μm与R_a=0.134μm)、环境温度(1737—1744 K)、恒温持续时间(10—30 s)等因素对润湿角的影响.结合固-液、气-液界面的压力、速度分布图,分析了恒定温度、毛细效应下表面张力变化对润湿过程的影响机制.研究结果表明,相同温度下,石墨表面硅液滴的润湿角随石墨表面粗糙度增大而减小.对同一粗糙度表面,润湿角在相同温度下随保温时间的增加略微减小,且变化的幅度随温度升高而减小.当液滴半径远小于5 mm时,表面张力在润湿过程中起主导作用;当液滴半径大于5 mm时,液滴自身重力的影响不可忽略.