单液滴冲击超疏水壁面的压力特性研究

雨滴撞击索类结构表面可能会激发振动及表面积冰等问题,现有研究多关注于疏水壁面及液滴撞击壁面铺展、回缩特性,鲜见涉及雨滴冲击超疏水壁面压力特性的研究.为此,采用CLSVOF方法对单液滴冲击超疏水固壁面这一过程进行数值计算,分析了液滴速度、初始直径等因素对液滴冲击超疏水壁面的压力特性、液滴动态行为特性及液滴与壁面接触时间的影响.结果 表明:单液滴撞击超疏水壁面的过程中,接触瞬间在接触点附近产生局部高压区,而在液滴铺展过程中,对壁面几乎没有压力冲击;在回缩反弹阶段,壁面受到持续较长时间的压力波动,且压力波动区域不局限于初始接触点附近较小范围.撞击速度或液滴初始直径的增大使壁面受到的冲击更为剧烈,且初始速度对壁面受压的影响更为明显.一定范围内液滴初始直径的增大则会导致接触时间延长.     

蒸发性对燃油瞬态喷雾撞击壁面的动态传热影响

直喷发动机燃油喷雾撞击壁面形成油膜,导致燃烧效率降低,颗粒物排放增加。伴随撞壁的动态传热过程对油膜蒸发具有重要影响。本文针对正戊烷、甲醇、甲醇汽油混合燃料瞬态喷雾撞击壁面,研究了不同条件下蒸发性对燃油瞬态喷雾撞击壁面动态传热影响。结果表明,提高喷油温度可促进燃油雾化,增大喷油压力或降低喷油距离可提高液滴撞壁强度,缩短液膜存在时间。撞壁瞬态温度与热流密度动态变化特征受燃油蒸发性与喷雾条件联合影响。     

铝液滴撞击曲面的流动特性分析

为揭示高表面张力的铝液滴撞击弯曲壁面的铺展机制,基于流体体积方法建立了铝液滴撞壁的数值计算模型,通过分析韦伯数(We)、奥内佐格数(Oh)以及壁面曲率(k)对液滴碰壁过程的影响规律,探索了铝液滴在曲面上的铺展特性与流动机理.研究结果表明:随着We的增大,铝液滴的撞壁行为模式依次表现为黏附、反弹以及破碎射流;由于铺展和回缩过程都会产生能量耗散,因此液滴回缩速度要小于其铺展速度.在撞壁过程中,接触点处产生了两次压力峰和速度峰,分别出现在撞壁时刻与即将反弹时刻.随着k的增加,液滴的最大铺展系数不断增加,且在平面上最小,但曲率变化对液滴铺展速度的影响并不突出.基于计算结果,通过引入k对铺展系数预测模型作出了修正.同时,基于能量守恒定律,对铝液滴在曲面上的流动过程进行分析,建立了多因素耦合作用下的铺展系数计算模型.与撞击平面相比,液滴在曲面上的铺展系数不仅与液滴的运动参数、壁面的润湿性有关,还与壁面曲率与液滴曲率之比有关.本文提出的两种预测模型均能为实际的工程应用提供参考依据.     

中空液滴碰撞水平壁面数值分析

采用耦合水平集-体积分数法并综合考虑传热及接触热阻作用建立了中空液滴碰撞水平壁面数值模型,并验证了模型的可靠性.通过分析计算结果,获得了中空液滴与实心液滴撞壁的动力学特征差异,揭示了中空液滴撞壁流动传热机理和中心射流形成机制,探索了碰撞速度和壁面浸润性对中空液滴撞壁动力学和传热特性的影响.研究表明:中空液滴撞壁后中心射流特征明显,并伴随有射流收缩和液壳破碎等现象.中空液滴内部压力梯度是液滴铺展、中心射流产生和发展的主要原因;撞壁过程中中心射流表面温度分布较为均匀,破碎液壳表面温度分布波动较大.碰撞速度与中空液滴撞壁最大铺展系数的相关性较小,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较大;壁面浸润性与中空液滴撞壁后期铺展系数的相关性较大,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较小.     

基于范德瓦尔斯表面张力模式液滴撞击疏水壁面过程的研究

液滴撞击疏水壁面过程的研究在介观流体力学和微流体作用材料科学的研究中具有重要的理论意义和工程价值. 论文在SPH方法中引入范德瓦尔斯状态方程处理液滴表面张力, 考虑流体粒子之间远程吸引, 近程排斥的内部作用力, 提出了流体粒子与疏水壁面粒子间势能函数与表面张力相结合的作用模式. 通过模拟真空条件下两个静止的等体积液滴相互融合的过程, 验证了计算模式在模拟液滴的表面张力中的有效性. 采用该模式模拟的液滴撞击疏水壁面过程, 不仅能够有效地模拟液滴撞击壁面后的变形过程, 而且清晰地模拟出液滴的回弹、腾空以及二次撞壁现象的完整过程. 模拟结果与液滴撞击疏水壁面的实验结果以及VOF模拟结果符合较好, 表明本文所提出的表面张力和疏水壁面作用力处理模式对模拟液滴撞壁过程具有实际应用价值.     

高速撞壁液滴空化演化过程的数值模拟

本文针对高速液滴撞击刚性壁面后液滴内部出现的空化及其演化过程进行了数值模拟。采用考虑了快速相变机制的可压缩两相流模型,有效捕捉了高速(110 m/s)液滴撞壁过程中产生的撞壁激波,以及复杂激波的反射和膨胀波聚焦作用形成低压区并生成空化泡、空化泡被逐渐压缩直至最后溃灭并产生溃灭压力波的完整过程,整个过程与实验结果十分吻合。进一步,比较了速度对液滴撞壁过程的影响规律,发现撞壁初速度越高产生的空化泡越大.研究为深入理解高速撞壁的液滴动力学规律提供了理论依据。     

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.     

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.     

液滴撞击加热壁面传热实验研究

本文采用高速摄像仪对水滴和乙醇液滴撞击加热壁面后的蒸发过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击加热壁面后的蒸发特性参数. 实验中, 两种液体初始温度均为20 ℃, 不锈钢壁面初始温度范围为68-126℃. 水滴初始直径为2.07 mm, 撞击壁面时Weber 数为2-44; 乙醇液滴初始直径为1.64 mm, Weber数为3-88. 结果表明, 液滴受到重力、表面张力及流动性的影响, 在蒸发过程的大部分时间内, 水滴高度持续降低而接触直径几乎不变; 蒸发后期, 液滴发生回缩, 水滴的接触直径、高度和接触角出现振荡现象. 乙醇液滴的接触角随时间的增加呈现先减小随后保持不变的趋势, 而接触直径和高度则持续减小, 直到液滴完全蒸发. 液滴蒸发总时长与液体物性和壁面温度有关, 随壁面温度的升高而减小, 与液滴撞击壁面时的Weber 数无关. 同时, 随着壁面温度的升高, 液滴显热部分占总换热量的比重增大, 显热部分能量不可忽略, 本文实验条件下得到水滴的平均热流密度为0.014-0.110 W·mm^-2.     

喷雾冷却中微液滴碰撞薄液膜的流动与换热

在喷雾冷却过程中,液滴撞击对壁面薄液膜的流动与换热特性有重要影响。本文采用Volume-of-Fluid(VOF)方法,对单液滴与双液滴撞击恒温壁面上薄液膜的换热特性进行了数值模拟分析。结果表明,液滴冲撞作用会使壁面产生很大热流,液滴初始直径越大、速度越快,换热系数越大。对于多液滴,撞击产生的扰动可以彼此迭加,从而进一步增强换热。     

小液滴撞击壁面传热特性数值分析

小液滴撞击壁面现象在喷雾冷却等领域都有广泛应用.为研究小液滴(微米)撞击热壁面(非沸腾区)传热过程,建立了二维液滴撞壁瞬态模型,并采用相场方法对小液滴换热过程中对流热通量和导热热通量的大小进行了对比.研究结果表明:液滴撞击壁面初期形成“冷斑”,有利于小液滴与壁面的传热;小液滴撞击壁面过程中热通量峰值存在于三相接触点附近,数量级在105—106 W/m²;小液滴撞击壁面过程中受壁面浸润性和液滴尺寸对传导热通量的影响较为显著,而速度和液滴尺寸对对流热通量的影响较为显著;大多数情况下,小液滴撞击壁面传导热通量数量级在103—105 W/m²,对流热通量数量级在104—106 W/m²,对流热通量大于传导热通量,在整个换热过程中占据主导地位.     

高炉渣熔融液滴撞击壁面行为特性实验研究

针对高温熔渣粒化技术的开发,本文通过可视化实验研究了高炉渣熔融液滴撞击不锈钢壁面的动态行为特性.结果表明:随液滴雷诺数增大,撞击过程液滴形态演变模式依次由铺展-回缩转变为铺展-回缩-破碎和铺展-破碎-凝固;增大壁面粗糙度可减弱与壁面换热,抑制液滴铺展;减小壁面粗糙度促进液滴发生破碎;液膜回缩过程普遍出现回卷现象,壁面倾...     

滴状冷凝过程液滴自由表面温度场分析

对于滴状冷凝过程及其传热强化机理, 一般通过分析冷凝壁面上液滴分布和运动规律进行研究, 并且将单个液滴视为稳定的个体, 很少涉及液滴内部运动特征. 本文通过红外热像仪观测了纯蒸气滴状冷凝过程中, 液滴运动时自由表面温度场的演化过程. 发现在疏水壁面上, 液滴由于合并或脱落而发生移动过程中, 其自由表面温度先降低, 而后升高并高于移动前温度. 通过分析疏水表面上液滴移动过程的物理模型, 认为液滴移动时表面液膜发生履带式滚动现象, 或者发生液滴内部与自由表面附近的液体间形成对流和掺混现象. 对液滴运动时表面温度演变规律的分析表明: 触发液滴表面发生持续冷凝可能需要克服一个临界过冷度, 当气液间温差超过该临界值时才诱发冷凝; 液滴合并或脱落等整体运动过程, 导致了液滴内部的运动特征, 并促进了较大尺寸液滴表面发生直接冷凝, 这为强化冷凝传热的研究提供新的思路.     

Jet ejection from droplets near the Leidenfrost temperature

Abstract  

Droplets impinging on a hot surface that is near the Leidenfrost temperature were experimentally investigated. Ejection of jets from the top of the droplet was observed during the transient interaction between the droplet and a hot wall. We term this phenomenon jet ejection from droplets. When the bottom of the droplet initially impacts the hot surface, a jet is to be ejected from the top of the droplet. The jet ejection occurred only at low impact velocities and around the wetting limit temperature. It was not observed when droplets were dropped from large heights or when the surface was at a high temperature.     

双液滴撞击平面液膜的流动与传热特性

采用耦合的水平集-体积分数法(CLSVOF)对双液滴连续撞击恒定壁温壁面上的热液膜的流动和换热特性进行了数值模拟及分析,得到了双液滴撞击热液膜后形态演变的过程.分析了液滴垂直间距、撞击速度、液膜厚度以及液滴直径对双液滴撞击液膜后的流动与传热特性的影响,结果显示,壁面平均热流密度随液滴撞击速度的增大而增大,液滴垂直间距、液膜厚度和液滴直径对平均热流密度的影响较小,但会对热流密度在撞击区域和交界区的分布产生重要影响.     

滴状冷凝传热的多尺度规划与最佳接触角

滴状冷凝传热过程具有典型的多尺度特征,一方面体现于壁面上液滴尺寸分布的空间多尺度特征以及液滴生长过程的时间多尺度分布,另一方面体现于冷凝壁面物理化学特性以及液固相互作用特性的描述和量度上的多尺度特征.本文基于包含界面效应影响的滴状冷凝传热模型,分析了液滴尺寸分布的多尺度特征及其对滴状冷凝传热性能的影响,并通过分析液滴尺...     

Numerical simulation of two droplets impacting upon a dynamic liquid film

The impact of droplets on the liquid film is widely involved in industrial and agricultural fields. In recent years, plenty of works are limited to dry walls or stationary liquid films, and the research of multi-droplet impact dynamic films is not sufficient. Based on this, this paper employs a coupled level set and volume of fluid (CLSVOF) method to numerically simulate two-droplet impingement on a dynamic liquid film. In our work, the dynamic film thickness, horizontal central distance between the droplets, droplets' initial impact speed, and simultaneously the flow velocity of the moving film are analyzed. The evolution phenomenon and mechanism caused by the collision are analyzed in detail. We find that within a certain period of time, the droplet spacing does not affect the peripheral crown height; when the droplet spacing decreases or the initial impact velocity increases, the height of the peripheral crown increases at the beginning, and then, because the crown splashed under Rayleigh-Plateau instability, this results in the reduction of the crown height. At the same time, it is found that when the initial impact velocity increases, the angle between the upstream peripheral jet and the dynamic film becomes larger. The more obvious the horizontal movement characteristics, the more restrained the crown height; the spread length increases with the increase of the dynamic film speed, droplet spacing and the initial impact velocity. When the liquid film is thicker, more fluid enters the crown, due to the crown being unstable, the surface tension is not enough to overcome the weight of the rim at the end of the crown, resulting in droplets falling off.     

Numerical study on the desorption processes of oil droplets inside oil-contaminated sand under cavitation micro-jets

The removal of the adsorbed oil droplet is critical to deoiling treatment of oil-bearing solid waste. Ultrasonic cavitation is regarded as an extremely useful method to assist the oil droplets desorption in the deoiling treatment. In this paper, the effects of cavitation micro-jets on the oil droplets desorption were studied. The adsorbed states of oil droplets in the oil-contaminated sand were investigated using a microscope. Three representative absorbed states of the oil droplets can be summarized as: (1) the individual oil droplet adsorbed on the particle surface (2) the clustered oil droplets adsorbed on the particle surface; (3) the oil droplet adsorbed in a gap between particles. The micro-jet generation during the bubble collapse near a rigid wall under different acoustic pressure amplitudes at an ultrasonic frequency of 20 kHz was investigated numerically. The desorption processes of the oil droplets at the three representative absorbed states under micro-jets were also simulated subsequently. The results showed that the acoustic pressure has a great influence on the velocity of micro-jet, and the initial diameter of cavitation bubbles is significant for the cross-sectional area of micro-jets. The wall jet caused by a micro-jet impacting on the solid wall is the most important factor for the removal of the absorbed oil droplets. The oil droplet is broken by the jet impinging, and then it breaks away from the solid wall due to the shear force generated by the wall jet. In addition to a higher sound pressure, the cavitation bubble at a larger initial diameter is more important for the desorption of the clustered oil droplets. Conversely, the micro-jet generated by the cavitation bubble at a smaller initial diameter (0.1 mm) is more appropriate for the desorption of the oil droplet in a narrow or sharp-angled gap.     

Continuous droplet rebound on heated surfaces and its effects on heat transfer property: A lattice Boltzmann study

A thermal multiphase lattice Boltzmann(LB) model is used to study the behavior of droplet impact on hot surface and the relevant heat transfer properties.After validating the correctness of the codes through the D~2 law,the simulations of intrinsic contact angle and the temperature-dependent surface tension are performed.The LB model is then used to simulate the droplet impact on smooth and micro-hole heated surface.On the smooth surface,the impinging droplet is reluctant to rebound,unless the intrinsic wettability of the solid surface is fairly good.On the micro-hole surface,however,the micro-holes provide favorable sites for generating a high-pressure vapor cushion underneath the impinging droplet,which thereby facilitates the continuous droplet rebound.For the continuously rebounding droplet.The time evolution of volume and temperature display obvious oscillations.The achievable height of the rebounding droplet increases as the intrinsic wettability of the solid surface becomes better,and the maximum transient heat flux is found to be directly proportional to the droplet rebounding height.Within a certain time interval,the continuous rebounding behavior of the droplet is favorable for enhancing the total heat quantity/heat transfer efficiency,and the influence of intrinsic wettability on the total heat during droplet impingement is greater than that of the superheat.The LB simulations not only present different states of droplets on hot surfaces,but also guide the design of the micro-hole surface with desirable heat transfer properties.