液滴冲击液膜过程实验研究

实验显示了液滴撞击物体表面液膜后产生水花、发生飞溅,特别是产生“钟形”水花等的流动现象.根据实验结果,探讨了液滴冲击速度、液体黏性、表面张力、液滴直径和液膜厚度等对液滴冲击后产生的流动现象,以及液膜形状演化的影响,分析了观测到的鲜有文献报道的液滴撞击液膜后产生“钟形”水花的现象. 关键词： 液滴 液膜 冲击 流动显示     

液滴冲击液膜过程实验研究

实验显示了液滴撞击物体表面液膜后产生水花、发生飞溅,特别是产生“钟形”水花等的流动现象.根据实验结果,探讨了液滴冲击速度、液体黏性、表面张力、液滴直径和液膜厚度等对液滴冲击后产生的流动现象,以及液膜形状演化的影响,分析了观测到的鲜有文献报道的液滴撞击液膜后产生“钟形”水花的现象.     

薄液滴在润湿性受限轨道上的热毛细迁移特性

通过固体表面改性可对液滴热毛细迁移过程进行调控.基于润滑理论和滑移模型建立了均匀温度梯度作用下液滴在润湿性受限轨道上运动的数学模型,通过将基底划分成亲水区域和疏水区域构建了润湿性受限轨道.结合接触线动力学提出了三维液滴在不同方向上接触线移动速度的计算方法,得到了液滴热毛细迁移的演化历程,分析了轨道宽度和润湿性对液滴迁移特性的影响.研究表明:液滴主体受温度梯度作用由高温区向低温区迁移,液滴后缘在移动过程中与主体部分间形成一层薄液膜,即薄液膜拖尾.液滴在垂直于轨道方向上的铺展受到抑制,收缩到轨道边缘后保持定扎状态.前进接触线移动速度开始时迅速减小,后缓慢降低趋于平稳;前进接触线移动速度与轨道宽度呈负相关.垂直于轨道方向上的壁面润湿性限制导致的排挤作用,在初始的短暂时刻对液滴在轨道上的热毛细迁移具有加速作用.液滴前进接触线移动速度与轨道润湿性呈正相关.增强轨道润湿性使得后退接触线移动速度的初始值增大,但对其稳定值影响不大.相比于改变轨道润湿性,改变轨道宽度更易于调控液滴热毛细迁移过程.     

液态镓在石墨烯表面的润湿性及形貌特征

液态Ga及其合金的熔点低、毒副作用小、导电率高,使得这类液态金属能像石墨烯一样被广泛应用于微流器件、柔性电子器件中,制备这些器件的关键在于有效控制各生产环节中液态金属在固体界面上的润湿性及形貌特征.基于Lennard-Jones(L-J)势函数,利用分子动力学模拟方法研究了金属Ga在石墨烯表面的润湿性,根据模拟结果拟合的L-J势参数能正确描述Ga原子与衬底之间的相互作用并得到了与实验值极为接近的润湿角,发现衬底与液膜间相互作用的微小改变都会对最终润湿形态产生极大影响,平衡态的润湿角和脱离衬底速度随着Ga-C间势能的减小而增大,并成功获得了不同厚度的Ga液膜在石墨烯表面的形态演变规律,极为符合液态Ga的基本特性.利用所得L-J势函数参数模拟了液态Ga在粗糙度相同但纳米柱尖端形貌不同的C材料表面的润湿演变,发现纳米柱尖端形貌对液态Ga的润湿过程及状态影响极大.     

单液滴撞击倾斜液膜飞溅过程的耦合Level Set-VOF模拟

采用耦合水平集--体积分数法(CLSVOF)对液滴撞击倾斜表面液膜后液膜的形态演化及飞溅过程进行数值模拟, 并对液滴撞击液膜过程中形成的空气卷吸现象进行研究并探讨了撞击角对此的影响, 分析了液滴撞击后液体内部的压力和速度分布, 对液滴撞击倾斜表面液膜的飞溅过程进行讨论, 并与实验结果进行了对比, 验证了CLSVOF方法研究液滴撞击倾斜液膜的可行性. 结果表明, 液滴撞击倾斜液膜时前后两部分飞溅现象产生的机理不同, 前半部分飞溅是由于压差引起的颈部射流, 而后半部分则是由液膜径向流动产生的飞溅现象. 随着撞击角的增大, 空气卷吸气泡数量减少.     

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.     

应用激光蚀刻不同微织构表面的润湿性

运用激光微织构技术, 通过控制微凹坑形状、间距、深度等参数, 在45#钢表面制备了一组表面算术平均偏差S_a相同但表面微观结构不同的试件. 使用Talysulf CCI Lite 非接触式三维光学轮廓仪对表面进行测量, 采用ISO 25178三维形貌表征参数对其形貌进行表征. 在SL200 KS光学法固液接触角和界面张力仪上针对32#汽轮机油进行润湿性试验, 分析了温度、液滴体积、表面结构特征等因素对润湿性的影响, 并借助ISO25178中部分参数对固体表面形貌随机特征与其润湿性之间的关联性进行了量化研究. 基于固液本征接触角为锐角, 研究结果表明: 固液接触角在润湿过程中先迅速减小, 之后逐渐趋于稳定; 固液平衡接触角随温度的升高而减小, 随液滴体积的增大先增大后减小; 激光微织构能够改变表面润湿性, S_a相同的表面, 微织构形状、方向均影响表面润湿性, 当槽状微织构表面的槽方向与液滴铺展方向一致时, 润湿效果最优. ISO25178系列三维形貌表征参数中幅度参数(S_ku, S_sk)、空间参数(S_tr, S_al)、混合参数(S_dq, S_dr)与表面润湿性之间具有较强的关联性: S_ku, S_al, S_dr越大, S_sk, S_tr, S_dq 越小的表面, 固液平衡接触角越小, 表面润湿性越好.     

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.     

液滴撞击圆柱内表面的数值研究

针对液滴撞击圆柱内表面的过程,利用基于相场的格子Boltzmann方法模拟液滴以不同初速度、从不同初始高度、撞击不同大小的圆柱内表面时液滴的形态变化,分析了液滴自身物性(如密度和黏性等)和圆柱内表面润湿性等因素对撞击现象的具体影响.研究发现:撞击韦伯数、密度比及动力黏性比、圆柱半径等对液滴撞击后沿圆柱内表面的铺展均有一定影响,较高的韦伯数下液滴可能会发生分裂;液滴初始高度对大密度比和动力黏性比的撞击影响较小;液滴反弹现象可能出现在接触角较大时;重力作用会抑制撞击后液滴的振荡.     

超声悬浮甲醇液滴的热诱导雾化现象

采用外部高温气体加热的方式研究了超声悬浮甲醇液滴的声致破碎雾化现象,利用高速摄像手段记录并实验研究了不同直径液滴不同的破碎雾化特性.结果表明:超声悬浮液滴在高温气流吹扫后可发生边缘喷射雾化现象.破碎方式包含边缘溅射、液膜割裂和法向溅射三类.直径D_0较小的液滴直接从赤道面开始边缘溅射直至完全雾化;等效直径D_0 2.8 mm的液滴,在产生边缘溅射后,剩余液核弯曲形成液膜,其表面产生法拉第波,使得液膜割裂破碎;而D_0 3.2 mm的液滴,在变形过程中逐渐形成"碗状"空腔,并在其底部的法向方向产生溅射,同时开始液膜割裂的离散化解体过程并伴随着边缘溅射,直至完全雾化.这种声致液滴雾化现象丰富了多物理场耦合作用下的流体理论,可为相关应用研究提供新思路.     

GaAs表面不同运动状态H2SO4-H2O2-H2O液滴的红外辐射特性

利用红外热像实时监测系统,研究了GaAs表面不同运动状态(包括静止状态、缓慢运动状态、快速运动状态)下H₂SO₄-H₂O₂-H₂O液滴的红外辐射特性,并对实验结果和研究价值进行分析.主要的实验结论包括：静止状态时,反应生成热在液滴内部向上对流,液滴顶部为红外辐射灰度峰值,并向液滴边缘陡降,同时,生成热将沿GaAs基片向周边扩散;缓慢运动时,液滴后存在类似于“彗尾”的热残留现象,表现为温度降低、灰度峰值与液滴运动同向的“双重运动特性”,灰度峰值位移曲线与液滴实际位移存在差异,温度最高点有可能位于“慧尾”中;快速运动时,液滴未与GaAs反应便脱离基片,表现为“液膜轨迹”现象,辐射灰度从液膜边缘到液膜中心为半椭圆面的平缓过渡,并分析了轨迹中心灰度值的分布与变化特性.液滴运动热行为红外监测方法的提出,在推动液滴自身研究的同时,也将进一步推动红外技术与材料科学、化学科学等交叉学科的融合. 关键词： 红外热像 实时监测 液滴 砷化镓     

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.     

液滴撞击液膜的穿越模式及运动特性

液滴撞击液膜是自然界中广泛存在的一种有趣的物理现象,如雨滴撞击水坑中的雨泡,啤酒穿过而不破坏杯中泡沫等,科学家对此现象进行了一些研究,但对其相互作用机理仍然认识不足.本文利用高速摄像机记录液滴撞击肥皂膜的瞬态过程,研究了不同韦伯数(We∈(10.8, 350))下液滴与液膜的相互作用过程、穿越模式及运动特性.研究结果表明,随着We的增加,液滴从反弹过渡到穿越(临界We=10.8),穿越后,根据液膜与液滴的作用形式,又可细分为无袋型包裹、射泡、有袋型包裹和融合等四种不同穿越模式.穿越后的液滴可形成"液滴-气垫-液膜"型复合液滴(We∈(120, 240))和表皮为微米厚溶液层的单相液滴(We∈(240, 350)).根据气垫层厚度不同,无袋型复合型液滴的表观表面张力为最外层液膜之表面张力,而有袋型复合液滴则为3个气液界面的表面张力之和.复合型液滴外层包膜可能破裂、剥落并产生射泡现象,该现象发生在一定的We数区间内(We∈(60, 120)),且该区间随着液滴直径的增加而增大. We数越大,液滴穿越液膜过程中的速度损失越小,液滴位移曲线越靠近理论曲线.     

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.     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

液滴撞击液膜过程的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法对液滴撞击液膜过程进行了研究, 主要考察了雷诺数(Re)、韦伯数(We)、相对液膜厚度 (h) 以及表面张力 (σ) 等物理参数对界面运动过程的影响. 首先, 随着Re数和We数的增加, 可以明显观察到液滴撞击液膜过程中形成的皇冠状水花以及卷吸现象; 当Re数较大时, 液体会发生飞溅, 由液体飞溅形成的小液滴则会继续下落, 并与液膜再次发生碰撞. 其次, 当相对液膜厚度较小时, 液滴撞击液膜并最终导致液膜断裂; 然而随着相对液膜厚度的增大, 尽管撞击过程溅起的液体会越来越多, 但是液膜并不会发生断裂. 再次, 随着表面张力的增大, 界面变形阻力增大, 撞击过程中产生的界面形变也逐渐减弱. 最后还发现皇冠(由液滴溅起形成)半径r 随时间满足r/(2R) ≈ α√Ut/(2R), 这一结果与已有结论是一致的.     

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     

自润湿流体液滴的热毛细迁移特性

采用数值模拟方法研究了自润湿流体液滴的热毛细迁移特性.基于润滑理论和滑移边界条件建立了二维液滴运动的演化模型,分析了液气界面张力极小值对应温度在壁面上的位置(临界点)与液滴位置间的相对关系对液滴运动特性的影响.结果表明,对于壁面润湿性不随温度变化的情形,随液滴初始位置相对临界点的向左移动,液滴的迁移方向发生改变,但液滴受热毛细力驱动总是向界面张力高的方向移动.对于壁面润湿性随温度变化的情形,无论液滴初始放置于临界点何处,受高温侧壁面润湿性恶化的影响,液滴均向低温区迁移;随液滴初始位置相对临界点的向左移动,液滴受方向向左的热毛细力增大,提高了其向低温区的迁移速率.控制自润湿流体液滴运动可通过调控临界点与液滴位置间的关系来实现,欲抑制液滴向低温区的迁移,则应将液滴放置于临界点右侧.     

双液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的LBM模拟

基于格子Boltzmann方法，对液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的过程进行模拟。研究润湿梯度、斜面顶端润湿性、液滴尺寸和Bond数对液滴融合弹跳过程的影响。计算结果表明：在较疏水的润湿梯度斜面上，两个液滴在非平衡张力作用下融合后能够发生弹跳行为；液滴融合速度和跳跃高度最大值均随着润湿梯度的增大而增加；随着斜面顶端润湿性的增大，液滴跳跃高度最大值减小；存在一个最佳液滴尺寸，使得跳跃高度最大值最优。Bond数越大，液滴跳跃高度最大值越小。