液-液驱替动力学研究

Marangoni效应是一种液体在界面张力梯度作用下的自发流动行为.液体界面上液体的Marangoni效应在工程技术领域具有重要作用.本文使用硅油作为驱动液体,正十六烷作为被驱动液体,十二烷基硫酸钠溶液作为液体基底,通过高速相机捕捉正十六烷受驱动铺展的整个过程,研究了三相液体系统中液滴的Marangoni效应.实验发现,正十六烷在硅油的驱动下从内向外铺展,形成液体圆环.本文根据正十六烷圆环内、外边界铺展行为,分析了正十六烷内边界和外边界的铺展原理,并研究了滴入硅油体积对于铺展过程的影响.研究发现,正十六烷内边界铺展与单一液滴的铺展规律相同,正十六烷内边界前期铺展由重力主导,内边界铺展标度律在R～t^1/4到R～t^1/2范围.随后铺展由界面张力梯度主导,内边界铺展标度律为R～t^3/4.因内边界铺展受重力影响,内边界的铺展速度与硅油体积成正相关.而正十六烷外边界在硅油驱动下,因接触角改变而产生界面张力梯度,在界面张力梯度作用下外边界铺展标度律为R～t^3/4.     

二元混合物在液体层上发生马兰戈尼爆裂的研究

由于马兰戈尼效应,液滴在液体层表面自发铺展成薄膜的物理过程,在成膜技术、涂层工艺、以及纳米器件的制作等领域具有广泛的应用,但是铺展后液膜自发碎裂成小液滴的现象也被广泛观察到,这种现象限制了马兰戈尼效应应用的发展.本文基于以往的实验观察对液膜的碎裂机制进行完备的解释,并通过实验进行验证,指出了液滴薄膜中心与边缘蒸发速率的差异引起的马兰戈尼流动对液膜边界产生的微扰,使得液滴铺展到最大时边缘生长出指状液柱.此外,根据微扰模型推导出边界失稳的临界波长和最大波长的表达式,基于Plateau-Rayleigh不稳定性解释了指状液柱碎裂的原因.建立同心圆柱壳液柱模型简化计算,预测了不同黏度比的液滴在液体层上铺展为薄膜的浓度范围和发生马兰戈尼爆裂的位置区间,并通过实验验证了不同醇溶液发生马兰戈尼爆裂的浓度范围和位置区间.该理论解释将在成膜技术、涂层工艺等领域提供更加精细的理论指导;特别地,本文提出的同心圆柱壳简化模型为化工领域微量反应和纳米颗粒制备等研究领域中的一些技术难题提供新的解决思路.     

不同液膜体系中Marangoni效应对活性剂液滴铺展的影响

针对含可溶性表面活性剂的液滴在预置液膜上的铺展过程,应用润滑理论建立液滴厚度、活性剂表面浓度及内部浓度演化过程的控制方程组,采用PDECOL程序模拟液滴的演化特征,探讨不同液膜体系下Marangoni效应的作用机理,并基于瞬态增长法分析负体系下液滴演化的不稳定性.研究表明,正体系下Marangoni效应可促进活性剂分子扩散,有利于活性剂液滴的稳定铺展;负体系下Marangoni效应则抑制液滴铺展,使液滴在中心区域产生振荡现象,呈现不稳定性特征,且该特征随负效应增强而愈加明显.在正负两种体系下,Marangoni作用力均是促使液滴横向演化的主要驱动力.     

波纹基底上含不溶性活性剂液滴的铺展稳定性

针对波纹基底上含不溶性活性剂液滴的铺展历程, 采用润滑理论建立了液滴铺展数理模型, 推导出基态和扰动态下液膜厚度和活性剂浓度的演化方程组, 基于非模态稳定性理论分析了液滴铺展的稳定性及参数的影响规律. 研究表明: 扰动量在液滴中心及铺展前沿处很小, 在液膜最薄处达到最大值且活性剂浓度的负扰动现象比较明显; 扰动波数可增强液滴铺展稳定性, 但随扰动波数增加, 该稳定性逐渐下降甚至转变为不稳定. 增加 Marangoni数将导致液滴铺展不稳定性加剧; 增大基底高度具有增强液滴铺展稳定的作用, Peclet数和基底波数取适中值时有利于液滴铺展的稳定性. 关键词： 活性剂液滴 非平整基底 铺展 非模态稳定性     

倾斜粗糙壁面上含不溶性活性剂溶液的动力学特性

针对倾斜随机粗糙壁面上含不溶性活性剂溶液的流动过程, 采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度的时空演化模型, 通过PDECOL程序数值求解得到了液膜流/液滴铺展的动力学特性及壁面结构参数的影响. 研究表明: 在重力分量和Marangoni效应共同作用下, 液膜流/液滴铺展速度加快, 液膜边缘和液滴中心出现毛细隆起, 液膜/液滴底部出现凹陷, 同时受粗糙壁面影响, 液膜表面变形更显著. 增加壁面倾角θ具有使重力分量和Marangoni效应增强, 导致隆起和凹陷程度均有所增加的作用. 增大壁面高度D可使液膜流/液滴铺展速度加快, 表面变形放大. 而壁面波数k₀则使液膜流/液滴铺展过程减缓, 抑制隆起和凹陷产生. 与液膜流相比, D和k₀对液滴铺展速度的影响相对较小. 关键词： 随机粗糙壁面 液膜 Marangoni效应 倾斜流动     

微通道内光热相变驱动流体运动特性研究

本文通过可视化实验,对微通道内光热效应致相变驱动流体运动特性进行了研究,通过红外聚焦激光跟随微通道内液柱气液界面进行加热持续产生的蒸发冷凝-聚合过程对液柱进行连续驱动。实验研究了激光功率、加热点位置对相变过程中的界面行为、冷凝液滴分布、驱动速率的影响规律。结果表明,激光功率越高,光斑距离界面越近,液柱蒸发速率越大,蒸汽浓度高,冷凝液滴分布越密集,驱动流体流动速度越快。     

实验观测液滴撞击倾斜表面液膜的特殊现象

采用高速摄像仪以10000帧/s 的拍摄速度对液滴撞击倾斜表面液膜的过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击倾斜表面液膜后的铺展、水花形成以及飞溅等现象, 考察了撞击角对液滴震荡变形过程的影响; 在此基础上, 定量讨论了液滴铺展速度随时间的变化规律, 揭示了液滴撞击速度和撞击角对前、后铺展因子及初始铺展速度的影响.观测发现, 在撞击角为28.0°–74.7°范围内, 随着撞击角的减小, 液滴在液膜表面的震荡变形程度增大; 前铺展因子随撞击速度的增大而增大, 随撞击角的减小而增大; 后铺展因子随撞击速度的增大几乎不发生变化, 但是随撞击角的增大而增大; 液滴初始铺展速度随撞击速度和撞击角的升高而增大. 关键词： 液滴撞击 倾斜液膜 铺展因子 铺展速度     

液滴在非互溶大黏度比液体表面的铺展特性

利用基于润滑理论的液滴在非互溶液体表面铺展的物理模型,探讨大黏度比情形下黏度比对液滴演化过程和平衡形状的影响,分析液滴厚度、铺展半径等特征参数的变化。结果表明：接触线附近液—液界面的变形受黏度比和表面张力比的影响;提高黏度比将导致铺展速率降低、时间常数减小,进而延长演化历程,但不影响液滴最终稳定形状;铺展半径与时间的关系满足x_max= 1 - 0.2 exp(- βt);大黏度比液滴铺展后期并未出现小黏度比时的惯性振荡现象。     

液滴振荡模型及与数值模拟的对比

由于碰撞壁面后液滴内部流动的复杂性, 以及气-液-固三相间的相互作用, 对液滴碰撞壁面形态变化的数学理论研究有较大的难度, 因此所见者多为实验和数值模拟. 本文通过对液滴受力状态的分析, 得到了惯性力、黏性力和表面张力带经验系数的表达式, 并进一步建立了液滴碰撞壁面振荡模型, 得到了液滴铺展半径的振荡表达式, 以及表面张力、黏性系数等参数对液滴铺展的影响. 最后通过与液滴衰减振荡数值模拟结果的对比, 确定了液滴振荡模型中的修正系数, 验证了模型的可行性. 关键词： 液滴碰撞 振荡 铺展半径/高度 数值模拟     

单液滴正碰球面动态行为特性实验研究

在考虑空气阻力影响,确定液滴撞击球面速度的基础上,对较高韦伯数液滴撞击干燥球面动态行为过程进行了实验研究,分析了球面曲率与韦伯数对液滴撞击行为和铺展因子的影响,并与前人撞击平面结果进行了对比.实验表明,靠近撞击球面时,液滴降落速度出现明显波动;球面曲率对液滴撞击后行为影响明显,曲率较大时,液滴撞击后铺展液膜会超出球面直径并滑落,曲率较小时,液滴撞击后在球面上呈现明显的铺展、回缩、震荡、着附动态变化行为,此时最大铺展因子受曲率影响小,随曲率减小,逐渐趋向于撞击平面时的最大铺展因子;韦伯数对液膜铺展速率影响较小,但对液膜回缩时间影响明显,最大铺展因子随韦伯数增加逐渐增大,获得的关联式呈指数变化.     

不同直径液滴撞击亲水壁面动态特性实验研究

本文通过可视化实验研究了不同直径液滴撞击亲水壁面的动态特性.实验利用光学原理同时记录了液滴撞击壁面过程的正面及底面图像。实验结果表明:液滴最大铺展因数随液滴初始直径近似呈线性增长关系;随液滴直径增大,液滴铺展至最大时需要的绝对时间、滞留时间、回缩时间均增长,稳定时的液固接触面积变大;液滴铺展至最大铺展因数所需要的无量纲时间约为1.68;液滴直径越小,则撞击后液膜回缩更为迅速.     

固体表面液滴铺展与润湿接触线的移动分析

液滴在固体表面上的铺展行为与润湿特性对许多工业生产过程的研究具有重要意义.根据液滴在光滑表面上的受力情况,建立了液滴平壁铺展的动力学模型.应用润滑近似方法和二维Navier-Stokes方程,建立了液滴沿理想表面铺展的动量和连续性方程.根据建立的方程,应用数值解法求解并详细分析了液滴在铺展过程中膜厚、接触线铺展半径以及铺展速度随时间的变化关系.研究结果表明:液滴的铺展过程可分为扩展和收缩两个阶段,铺展过程伴随着表面能、动能以及各种势能的相互转化,液滴最终的铺展半径大小由固体基面固有的润湿特性所决定;液滴在铺展过程中出现的"坍塌效应"与弯曲液面处的Laplace压力差有关;铺展半径随时间变化的标定律近似满足"1/7"次方标度律.     

液滴撞击超亲水表面冷液膜的研究

液滴撞击过程因具有较强的传热传质性能被广泛应用于工业领域中。本文利用高速摄影机和红外热像仪,研究了液滴撞击超亲水表面冷液膜的水力学特性和温度分布,探讨了撞击We数和液膜温度对撞击过程中水力学特性以及液膜温度分布的影响.总结了液滴在超亲水表面的液膜上的水力学特征的变化规律。实验结果表明,液滴铺展速度和最大铺展直径随撞击We数的增大而增大。同时,液膜温度会影响液滴撞击薄液膜后的水力学特性.在低We数下液滴撞击低温薄液膜后液膜的温度呈高低相间的环状分布,随着撞击We的增大,该环状温度分布消失。这对要求精确喷雾控温的工业过程起到了十分重要的意义.     

液滴在粗糙固体表面上的铺展特性

本文建立了粗糙固体表面上液滴铺展过程的理论模型并采用了格子Boltzmann方法进行数值模拟,研究了粗糙与光滑表面上液滴铺展过程的形貌变化。研究结果表明,无论表面光滑还是粗糙,液滴都沿着半径方向逐渐铺展,整体首先呈帽形,随着时间的推移,液滴在表面铺展成一平面。粗糙表面与光滑表面铺展特性间的差异主要在于粗糙表面液滴受到粗糙元干扰,其铺展形状随时间推移由圆形向八边形过渡.粗糙元间隙的增大导致液滴润湿半径增大,液滴厚度沿半径方向变化梯度降低。     

微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟

微小液滴在不同能量表面上的润湿状态对于准确预测非均相核化速率和揭示界面效应影响液滴增长微观机理具有重要意义. 通过分子动力学模拟, 研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态. 结果表明, 固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同液滴铺展速率和润湿特性. 固液作用强度小于1.6的低能表面呈现疏水特征, 继续增强固液作用强度时表面变为亲水, 而固液作用强度大于3.5的高能表面上液体呈完全润湿特征. 受微尺度条件下非连续、非对称作用力影响, 微液滴气液界面存在明显波动, 呈现与宏观液滴不同的界面特征. 统计意义下, 微小液滴在不同能量表面上铺展后仍可以形成特定接触角, 该接触角随固液作用强度增加而线性减小, 模拟结果与经典润湿理论计算获得的结果呈现相似变化趋势. 模拟结果从分子尺度为核化理论中的毛细假设提供了理论支持, 揭示了液滴气液界面和接触角的波动现象, 为核化速率理论预测结果和实验测定结果之间的差异提供了定性解释.     

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.     

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.     

Marangoni珠状凝结液珠半径分布的研究

以水-酒精混合蒸汽在斜块上的Marangoni凝结实验图片为基础,统计分析了不同浓度和过冷度下凝结液珠的半径数目比例分布、平均半径及半径偏差.研究发现:在不同浓度和过冷度下,凝结液珠的半径大部分集中在0.1 mm～0.3 mm半径范围内,占到液滴总数的80%;凝结液珠平均半径随过冷度的增大而增大,随浓度的增大而减小;半...     

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.     

固着液滴蒸发薄液膜区传质传热特性数值研究

本文基于扩展Young-Laplace方程和动力学理论,以水为工质,建立固着液滴蒸发薄液膜区、宏观弯月面区、固体基底内部及气液、液固、气固界面的耦合传热模型,并探究固体基底厚度和热物性对蒸发薄液膜区传热特性的影响。结果表明,由于液滴蒸发过程中的冷却效应,三相接触线附近的基底温度低于周围固体温度;蒸发速度越快,温度差越大。蒸发薄液膜的长度、最大质量流量和传热量与基底厚度与液滴半径比值h_r有关;当h_r=0.4时,薄液膜区传热对总体传热贡献最大;基底的热导率越小,蒸发液滴具有更长的蒸发薄液膜长度及更强的界面传热,薄液膜区传热对总体传热影响越显著.