微管内气液两相流中液膜厚度的实验测量

微通道内气液两相流中气柱（plugbubble）与通道壁之间液膜厚度的实验测量，是微热管、微流动、微电子冷却以及气泡雾化等研究中普遍关注的问题。本文利用基于光学干涉和快速傅立叶变换的空间频谱分析方法，实验测量获取了含表面活性剂水中气柱在750μm通道内运动时其与通道壁面之间的液膜厚度。实验结果表明：表面活性剂对液膜厚度的影响比较明显，即当表面活性剂浓度在一定范围内增大时，液膜厚度会减小；此外，当气柱运动速度在一定范围内增大时，液膜厚度也会减小。     

EFFECT OF TWO-DIMENSIONAL MICROPILLAR ARRAYED TOPOGRAPHY ON SPREADING OF INSOLUBLE SURFACTANT-LADEN DROPLET

针对二维微柱阵列壁面上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度演化模型,采用数值计算方法得到了液滴的铺展特征及相关参数的影响. 研究表明：活性剂液滴在微柱阵列壁面上铺展时,在壁面凸起处衍生出隆起结构,壁面凹槽处衍生出凹陷结构,随时间持续,隆起和凹陷均向两侧移动,且数量不断增加. 活性剂液膜流经凸起时,隆起高度呈驼峰形变化. 增大预置液膜厚度或活性剂初始浓度,铺展区域隆起和凹陷数量增多,液滴铺展速度加快. 增加凹槽深度或减小斜度会使毛细力作用增强,液膜破断可能性加大;增大凹槽宽度可加速活性剂液滴的铺展,加剧液膜表面波动幅度.     

二维微柱阵列壁面对活性剂液滴铺展的影响

针对二维微柱阵列壁面上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度演化模型,采用数值计算方法得到了液滴的铺展特征及相关参数的影响. 研究表明:活性剂液滴在微柱阵列壁面上铺展时,在壁面凸起处衍生出隆起结构,壁面凹槽处衍生出凹陷结构,随时间持续,隆起和凹陷均向两侧移动,且数量不断增加. 活性剂液膜流经凸起时,隆起高度呈驼峰形变化. 增大预置液膜厚度或活性剂初始浓度,铺展区域隆起和凹陷数量增多,液滴铺展速度加快. 增加凹槽深度或减小斜度会使毛细力作用增强,液膜破断可能性加大;增大凹槽宽度可加速活性剂液滴的铺展,加剧液膜表面波动幅度.      

单个上升气泡与异质液膜相互作用的数值模拟

为了探讨在流体区域内气泡上升然后与异质液膜接触的过程中,气泡速度、形状随时间的变化,以及区域内液膜的运动特性。本文采用FTM方法模拟研究了在2D×D的空间范围内单个气泡从静止开始上升到与异质液膜接触过程中的运动特性。研究结果表明:气泡上升到与液膜一定距离后,会使液膜中间凸起变薄,并将液膜挤向两侧,气泡的竖直速度先增大后减小;液膜厚度不同时,气泡上升初期相同时刻的纵横比?基本相同;气泡上升后期相同时刻的纵横比随着液膜厚度的增厚而增大;不同表面张力下,相同时刻气泡纵横比随着表面张力的减小而减小;表面张力越小,气泡顶部和底端的压力差会越小,上升速度越小。     

固液润湿性对流体动压润滑薄膜的影响

利用自行开发的微型面接触润滑油膜测量系统,研究了固液润湿性对流体动压润滑油膜厚度的影响.试验中以静止的微型滑块平面和旋转的光学透明圆盘平面形成润滑副.固液的润湿性通过接触角判定,不同材料的微滑块平面和润滑液体形成不同的界面.在保持载荷和面接触楔形角不变的条件下对油膜厚度-速度关系进行了测量.结果表明:对于固液润湿性强的界面,形成的油膜厚度与经典润滑理论有较好的一致性;当固液润湿性明显降低时,测量得到的油膜厚度减小.对于试验中观察到的界面效应,应用界面滑移理论进行了初步分析.     

矩形液池内热毛细对流的流动不稳定性

热毛细对流及其不稳定性是微重力流体科学研究的重要内容. 对该问题的研究不仅有利于人们对微重力环境下流体行为、对流不稳定性和湍流转捩过程等基础物理现象的进一步认识,而且也将促进晶体生长、薄膜制备等空间和地面高新技术的发展. 实验研究了矩形液池中浅液层在水平温度梯度作用下产生的热毛细对流及其稳定性. 实验中,成功地利用PIV (particle image velocimetry) 技术对1mm²/s 硅油液层内的浮力热毛细对流流场结构进行了大量观测. 结果表明,液层中的流场结构经历了多种状态的转变,该过程会受到液层厚度的影响. 当液层厚度较小时,比如当d=2:8mm 时,随着液池两端温差的增大,液层中的流场结构会经历单胞对流到双胞对流再到多胞对流的转变,到达多胞对流状态之后,继续增大温差,对流涡胞的数量会有所减少,而当温差进一步增大到一定程度以后,整个液层转变为三维非定常流动;当液层厚度较大时,比如当d=4:5mm 时,随着温差的增大,流动模式的转变主要体现在水平截面流场截面上面,当温差增大到一定程度以后,在靠近高温端的附近区域会出现具有明显三维效应的"梭形结构",该梭形结构的尺寸随着温差的增大而增长,并在温差超过某个临界值时失去对称性,整个液层转变为三维非定常流动.     

基于改进LBM的气液自发渗吸过程中动态润湿效应模拟

微通道内气液自发渗吸是广泛发生在自然界及诸多工业领域的物理现象,而动态接触角是影响整个渗吸过程的关键因素.针对该问题,本文使用改进的伪势多相流格子玻尔兹曼方法 (LBM),直接捕捉微通道内气液自发渗吸过程中的实时接触角,并分析接触角的动态变化特性及其对渗吸长度的影响.首先,本文在原始的伪势多相流LBM的基础上耦合Peng-Robinson (PR)状态方程,改进流体-流体作用力以及流-固作用力格式,并采用精确差分方法将外力添加至LBM框架中.然后,通过校准模型的热力学一致性,模拟测试界面张力,静态平衡接触角等界面现象验证了模型的准确性.最后,基于建立的模拟方法,在水平方向上模拟微通道内气液自发渗吸过程.结果表明:渗吸过程中的接触角呈现动态变化特征,在渗吸初期,因受到惯性力的影响存在较大波动;随着渗吸距离的增大,其逐渐减小并趋近于静态平衡接触角.渗吸过程中的接触角与微通道尺寸及静态接触角有关,随着微通道宽度增大,实时的动态接触角与静态接触角相差大;随着静态接触角增大,实时的动态接触角与静态接触角的相差增大.此外,忽略动态接触角的Lucas-Washburn (LW)方程所预测的弯液面位置...     

T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素

基于液滴或气泡的多相微流控是近年来微流控技术中快速发展的重要分支之一.本文利用高速显微摄影技术和数字图像处理技术对T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素进行实验研究.实验采用添加表面活性剂的海藻酸钠水溶液作为液相,空气作为气相.研究T型微通道反应器内气液两相流型的转变过程,并根据微通道内气泡的生成频率和生成气泡的长径比对气泡流进行分类.研究发现当前的进料方式下,可以观测到气泡流和分层流2种流型,且依据气泡生成频率和微通道内气泡的长径比可将气泡流划分为分散气泡流、短弹状气泡流和长弹状气泡流3种类型,并基于受力分析确定3种气泡流的形成机制分别为剪切机制、剪切-挤压机制和挤压机制.考察不同液相黏度和表面张力系数对不同类型气泡流范围的影响规律.结果表明:液相黏度相较于表面张力系数而言,对气泡流生成范围影响更大.给出不同类型气泡流流型转变条件的无量纲关系式,实现微通道生成微气泡过程的可控操作.      

T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素

基于液滴或气泡的多相微流控是近年来微流控技术中快速发展的重要分支之一.本文利用高速显微摄影技术和数字图像处理技术对T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素进行实验研究.实验采用添加表面活性剂的海藻酸钠水溶液作为液相,空气作为气相.研究T型微通道反应器内气液两相流型的转变过程,并根据微通道内气泡的生成频率和生成气泡的长径比对气泡流进行分类.研究发现当前的进料方式下,可以观测到气泡流和分层流2种流型,且依据气泡生成频率和微通道内气泡的长径比可将气泡流划分为分散气泡流、短弹状气泡流和长弹状气泡流3种类型,并基于受力分析确定3种气泡流的形成机制分别为剪切机制、剪切–挤压机制和挤压机制.考察不同液相黏度和表面张力系数对不同类型气泡流范围的影响规律.结果表明:液相黏度相较于表面张力系数而言,对气泡流生成范围影响更大.给出不同类型气泡流流型转变条件的无量纲关系式,实现微通道生成微气泡过程的可控操作.     

表面活性剂溶液界面拉压驱动液滴浸润性响应

液体表面的流体铺展在许多工程领域中具有广泛的应用前景。本文提出通过挡板对底液表面的拉压实现液滴的动态浸润响应,以正十六烷为受驱动液滴、十二烷基硫酸钠溶液为基底溶液组成浸润实验体系。挡板向外拉伸时,表面活性剂分子面密度降低,铺展系数增大,液滴铺展;挡板向内挤压时,表面活性剂分子面密度增大,铺展系数减小,液滴收缩。挡板往复运动实现了液滴的浸润性响应调控,这一工作为实现界面液膜的调节提供了新的思路。     

STABILITY OF ULTRATHIN LIQUID FILM EVOLUTION WITH SURFACTANT

针对固体基底上厚度小于100 nm的含活性剂超薄液膜演化过程, 基于润滑理论推导出包含分离压影响的液膜厚度和活性剂浓度的演化方程, 采用正则模态法导出了描述液膜线性稳定性的特征方程, 分析了多个特征参数对线性稳定性的影响, 数值模拟了液膜厚度和活性剂浓度演化历程, 对比了模拟所得非线性结果与线性分析预测结果的一致性.结果表明:范德华力具有促进扰动增长的作用, 较强的玻恩斥力促使扰动衰减, 使液膜趋于稳定;较小的毛细力数易使液膜凹陷处发生二次失稳, 并最终导致去润湿现象发生;液膜厚度和溶于液膜内部的活性剂浓度初值越大, 液膜稳定性越强, 液膜表面活性剂浓度影响则相反;增大吸附系数不利于液膜稳定性.     

考虑甲烷溶解效应的液膜密封稳态性能研究

针对油气混输工况密封腔内含气率变化所引起的液膜承载力不稳定问题,考虑密封腔内油气两相介质的互溶性特征,将溶解度方程引入包含Jakobsson–Floberg–Olsson (JFO)边界条件的广义稳态Reynolds方程,建立了考虑甲烷溶解效应的液膜密封润滑模型.采用有限差分法求解该溶解润滑模型,研究了液膜压力、甲烷溶解度及油相黏度之间的相互影响机制.在不同的螺旋槽结构参数与工况条件下,对比分析了甲烷溶解效应对液膜密封机理及密封性能的影响.结果表明：甲烷溶解效应在液膜高压区对油相黏度影响大;考虑甲烷溶解时所得的液膜开启力减小、空化率增大、摩擦系数增大以及泄漏量减小,且液膜动压效应越强时甲烷溶解效应对密封性能的影响越大.在高压及输送油气介质时,气体溶解对密封性能的影响不可忽略.     

表面微织构对球盘点接触润滑摩擦性能的影响

基于统一Reynolds方程系统模型开展了富油点接触工况下微织构表面润滑摩擦性能的数值模拟研究.在通过实验标定数值模拟中润滑剂流变参数的基础上,系统分析了微织构表面摩擦系数周期变化的全过程,初步揭示了微织构的减摩机理.结果表明：数值模拟结果与实验结果有较好的吻合;瞬时摩擦系数达到最小值时,微坑单元一般处于名义Hertz接触区域的前边界;当微坑运动到Hertz接触区域内时,微坑前沿局部膜厚减小,而微坑后边沿膜厚局部增大,形成局部膜厚增大区;局部膜厚增大区的大小对微织构的润滑摩擦性能有较大影响,其面积越大,减摩效果越好.     

小Tabor数分形粗糙表面之间的黏着弹性接触分析

基于粗糙表面的分形描述和适用于小Tabor数微突体的黏着弹性接触理论,采用积分方法建立了小Tabor数分形粗糙表面之间的黏着弹性接触模型,获得弹性接触条件下的真实接触面积和载荷表达式,在此基础上采用单因素分析法分析表面粗糙度和材料性质对分离力的影响.结果表明,当分形维数增加时,粗糙表面单位面积上的微突体数目增加且高度减小,从而导致两表面间的分离力增大;当分形粗糙度参数增大时微突体高度增加,从而导致分离力减小;当材料弹性模量增加时黏着作用减弱,从而减小了分离力,而表面黏着能的增加会使分离力急剧增大.     

内分液结构调控竖直管间歇流型建模研究

内分液流型调控管依靠微尺度网孔阻气通液的毛细力学特性,调控气液两相间歇流型以实现传热强化.基于Lockhart-Martinelli 分相模型以及Zuber-Findlay 漂移流动模型,建立描述内分液竖直管内流体动力特性的一维数学模型. 采用模型求解实验工况,计算结果与实验结果误差均在20% 以内. 计算发现,液速对流动现象起决定作用,而气速影响通过丝网的渗透程度. 在定性分析基础上,采用三角立方插值与最小二乘B 样条拟合获得了流动特性与气速、液速的定量函数关系. 据此得出结论,当Re_l < 693 7 时,一定出现第1 类工况;当Re_l > 693 7,且Re_g < 67 时,可能会出现第2 类工况,此时较低的气速会促进第2 类工况的出现. 根据建立的模型与拟合关系式可实现内分液调控管的优化设计.      

固体火箭燃气射流驱动液柱过程的CFD分析

固体火箭燃气射流驱动液柱过程会产生一个复杂的非稳态多相流场,为了研究液柱对固体火箭发动机工作过程中射流流场的降温效果,并揭示燃气冲击液柱的流动演化和气水之间的相互作用,利用FLUENT软件中耦合了液态水汽化方程的VOF多相流计算模型对燃气与液柱之间的耦合流动及相变过程进行了数值模拟,并与无液柱情况下射流流场的计算结果进行了对比分析。计算结果表明,当有液柱平衡体时射流流场中的压力、温度、速度波动幅度均减小,减弱了射流流场中的湍流脉动强度;液柱与燃气之间的汽化以及液柱的阻碍作用减小了射流流场的轴向发展位移,尾管后的完全发展射流流场核心区域内的压力峰值降低了0.9 MPa,温度峰值降低了503 K,速度峰值降低了291 m/s,验证了实验中液柱对燃气射流流场的降温效果。     

表面活性剂流体弹性应力对颗粒沉降的影响

颗粒在粘弹性表面活性剂流体中的沉降问题是复杂固液两相流研究的基础问题。采用实验和数值模拟的方法研究了单颗粒在粘弹性表面活性剂流体中的沉降过程。实验结果表明,粘弹性表面活性剂流体的粘弹性会引起颗粒的终端速度随时间产生波动。Giesekus本构方程可以描述颗粒在表面活性剂流体中沉降的非线性剪切变稀行为和弹性导致的拉伸变形。颗粒在粘弹性表面活性剂流体中沉降时其尾部会出现负尾迹现象,负尾迹区随着松弛时间的增大向下游延伸,表征流体弹性的松弛时间越大,负尾迹区越长。颗粒表面剪切速率大于临界剪切速率时,负尾迹的出现使颗粒在粘弹性表面活性剂流体中沉降所受曳力减小,沉降速度增加;颗粒表面剪切速率小于临界剪切速率时,粘弹性表面活性剂流体负尾迹区的拉伸效应与颗粒表面的弹性应力的共同作用,导致颗粒终端速度随着松弛时间的增加先增大后减小。     

疏液壁面上亲液杂质对滑移特性的影响

纳米流动系统具有高效、经济等优势,在众多领域具有广泛的应用前景.因该类系统具有极高的表面积体积比,致使界面滑移效应对流动具有显著影响.论文采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了疏液壁面表层混入少量亲液原子时纳米通道内液体的滑移特性,并基于分子动理论解释了其影响机制.研究发现,亲液杂质(均布或集中)对液体法向密度振荡程度影响较弱,但会显著改变壁面附近类固体层的分布和液体滑移规律;随亲液杂质占比增加,液体类固体现象更趋明显,壁面处液体接触密度也线性增大,但通道内液体平均速度逐渐降低,滑移长度也迅速减小;相比于集中的亲液杂质,均匀分布亲液杂质对滑移的弱化效应更强.如当亲液杂质占比为28%时,其滑移长度比单纯疏液表面的降低率从50%扩大至56%.基于分子动理论的分析发现,亲液杂质会导致杂质原子附近第一液体层内的原子发生跃迁的能垒加大,即弱化了液体原子的流向跃迁行为,从而降低了滑移量;相比于集中杂质,均匀分布的杂质还会降低固液间的非公度性,致使滑移特性破坏更严重.     

高超声速边界层液膜演化过程和冷却机理研究

高超声速液膜冷却技术是通过一系列狭缝或孔洞压出冷却工质,在飞行器表面边界层形成一层低温冷却膜,阻止高超声速气流对飞行器的气动加热.其作为一种主动冷却方式在高超声速飞行器表面热防护有着巨大的应用潜力.文章采用数值方法,结合VOF模型,研究25 km飞行高度和Ma=5气流条件下的液膜铺展情况,并通过不同冷却工质的入射速度、角度、表面张力和黏性系数条件,讨论了液膜在平板上的演化过程和冷却机理.结果表明,在气流作用下,液膜向壁面下游发展,液膜的存在导致边界层分离,连续液膜会在一定位置断裂为液块,然后进一步破碎为液滴.入射条件和液体性质的改变,会影响液膜沿流向的发展,具体表现在连续液膜断裂点的位置和连续液膜的厚度.在所设定的计算域内,壁面热流降低了80%～95%,液膜对壁面的冷却效率随着液膜形态的变化而变化.     

多孔介质——自由流界面应力跳跃条件下流动特性解析解

对非对称多孔介质--自由流复合通道内多孔介质内部及多孔介质与自由流体界面处复杂质量、动量输运特性进行研究. 在多孔介质区采用Brinkman-extended Darcy模型并结合速度连续,剪切应力跳跃的界面条件对此复合通道内流体的传递现象进行求解,提出了考虑界面应力跳跃时非对称复合通道各区域流体运动速度及摩擦系数的解析式,分析了界面应力跳跃系数,达西数及无量纲多孔层偏心厚度对流体速度及摩擦系数的影响. 结果表明:改变界面性质可在一定条件下明显控制各区域流体速度分布;在达西数、多孔层偏心厚度一定情况下,界面应力系数的增大会使界面流速减小,而使流体摩擦系数增大,特别是界面应力系数小于0的情况下变化更明显,此时若不考虑界面应力系数则会造成较大误差. 当界面应力系数及多孔层偏心厚度均为较小负数值时,改变多孔层偏心厚度对界面速度的影响要大于改变界面应力系数的情况;而当界面应力系数及多孔层偏心厚度为较大正数值时,情况则相反. 较大达西数下,界面应力系数及多孔层偏心厚度对流体摩擦系数的影响均较大,继续减小达西数至一定程度时,界面应力系数对流体摩擦系数的影响可忽略不计而认为只与多孔层偏心厚度相关,且对较大多孔层偏心厚度更敏感.