相场方法模拟液滴的动态润湿行为

液滴的动态湿润现象广泛存在于自然界和工业生产中,该现象数值研究的建模需要解决接触线附近的奇异性并引入合理的接触角描述.基于相场方法,结合Yokoi动态接触角模型,建立了考虑动态润湿效应的两相流数值模型,并在OpenFOAM开源平台上实现相应程序.针对液滴撞击壁面的动态湿润过程,数值模拟和对比研究了不同的接触角模型.结果表明:接触角模型的选择对液滴动态润湿过程的模拟结果具有较大的影响,其中基于改进动态接触角模型的结果与文献中的实验结果具有很好的吻合度,反映了提出的数值模型在液滴的动态润湿行为模拟的有效性.     

三维PTT黏弹性液滴撞击固壁面问题的改进SPH模拟

基于光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法,对三维Phan-Thien Tanner(PTT)黏弹性液滴撞击固壁面问题进行了数值模拟.为了有效地防止粒子穿透固壁,且缩减三维数值模拟所消耗的计算时间,提出了一种适合三维数值模拟的改进固壁边界处理方法.为了消除张力不稳定性问题,采用一种简化的人工应力技术.应用改进SPH方法对三维PTT黏弹性液滴撞击固壁面问题进行了数值模拟,精细地捕捉了液滴在不同时刻的自由面,讨论了PTT黏弹性液滴不同于Newton(牛顿)液滴的流动特征,分析了PTT拉伸参数对液滴宽度、高度和弹性收缩比等的影响.模拟结果表明,改进SPH方法能够有效而准确地描述三维PTT黏弹性液滴撞击固壁面问题的复杂流变特性和自由面变化特征.     

乙醇液滴撞击高温壁面蒸发过程的模拟预测研究北大核心CSCD

采用CLSVOF方法,引入描述壁面润湿特性的动态接触角,建立了乙醇液滴撞击高温壁面的数值模型,对乙醇液滴撞击高温壁面后的沸腾蒸发过程展开了研究,并与实验数据进行了对比验证.研究表明:在相同液滴温度下,壁面温度越高,亲水性越强,乙醇液滴的撞击速度越快,液滴的沸腾时间越早,蒸发完成所用时间也越短.在此研究基础上,基于机器学习算法,建立了液滴蒸发预测模型,对乙醇液滴撞击高温壁面后蒸发剩余量随时间的变化进行了预测研究,并通过将不同机器学习算法的预测结果与模拟结果对比,选出最优预测模型.     

液滴在固体平表面上均匀蒸发过程的格子Boltzmann模拟

通过格子玻尔兹曼(lattice Boltzmann method,LBM)数值模拟,研究了液滴在固体平表面上蒸发过程形状变化的机理.揭示了不同静态接触角下液滴蒸发过程中重力对其形状变化的影响规律.结果表明,重力的影响随着液滴尺度的减小而减弱,达到某一临界点后,重力对蒸发过程的影响可以忽略.模拟定量确定了液滴尺寸的这一临界值,并分析了蒸发过程中几个典型时刻液滴内部的流场分布,进一步研究了重力的影响.     

二元海水液滴对心碰撞过程数值模拟

为研究海水循环冷却系统中液滴碰撞的基本规律及碰撞结果预测模型,采用流体体积函数(volume of fluid,VOF)方法捕捉两相交界面,利用动态网格自适应技术提高求解精度,对二元海水液滴的对心碰撞过程进行直接数值分析与模拟.首先对氮气中正十四烷液滴的碰撞实验进行数值模拟,验证了数值模型的可靠性.开展了常温常压下等尺寸二元海水液滴对心碰撞数值研究,分析了液滴碰撞过程流场结构及流动机理,研究了不同液滴直径和不同海水浓度对碰撞过程的影响规律,得到了聚合和自反分离两种碰撞结果类型以及二者的临界Weber数.总结出不同Ohnesorge数下海水液滴碰撞结果诺模图.     

气体介质中海水液滴碰撞过程数值模拟

为揭示对喷式海水无填料冷却塔内海水液滴碰撞的规律及影响因素,采用VOF方法开展了相同尺寸的二元海水液滴碰撞数值模拟.首先利用Qian等的实验结果对计算模型进行校验,验证了模拟的准确性.开展了常温常压下不同Weber(韦伯)数以及不同碰撞参数下的海水液滴碰撞过程数值模拟,计算Weber数范围为0. 5~200,碰撞参数范围为0~1.得到了聚合、自反分离以及拉伸分离3种碰撞结果,对心碰撞聚合与自反分离的临界Weber数为22;然后对结果类型进行统计,得到了海水液滴碰撞结果分布We-x图.     

液滴对弹性梯度薄基变形的影响

液滴润湿现象在细胞的变形和软器件的设计和制作中具有潜在的指导意义.该文在考虑三相接触线处线张力的情况下,研究了液滴引起的梯度薄基变形问题.首先,利用积分变换法求解了基底变形的本构方程,给出了变形的法向位移表达式.其次,讨论了基底弹性模量非梯度、指数型梯度和幂型梯度变化时基底的变形情况.最后,给出了液滴大小、弹性模量、线张力及梯度指数变化时位移的变化情况.数值结果表明弹性模量逐渐减小和梯度指数逐渐增大时,湿润脊逐渐变高,变形也越大;线张力和特征深度越小,位移的峰值越高,变形也越大;液滴半径较小时,湿润脊的对称性会变得更好.     

三氧化二铝液滴对心碰撞直接数值模拟

为研究固体火箭发动机内三氧化二铝液滴碰撞的物理规律及结果预测模型,针对两个相同尺寸的三氧化二铝液滴对心碰撞,开展了直接数值模拟.首先进行了正十四烷液滴在氮气环境下的对心碰撞数值研究,数值与实验结果基本一致,验证了计算方法的可行性及准确性.针对三氧化二铝液滴开展了6 MPa压强下不同Weber数的对心碰撞数值研究,计算Weber数范围为10~200,Ohnesorge数为0.036 4;获得了反弹、大变形后聚合和自反分离3种结果类型,反弹与大变形后聚合的临界分离Weber数为26,大变形后聚合与自反分离的临界分离Weber数为44.根据临界Weber数对其他流体液滴碰撞模型进行修正,可以获得三氧化二铝液滴的碰撞模型.     

T型微通道内的幂律流体液滴破裂行为的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法(LBM)研究了T型微通道内幂律流体液滴运动行为及其流型相图.主要研究了液滴幂律指数n对液滴破裂时颈部厚度、前端运动距离等形变特性以及流型相图的影响.数值结果表明,幂律流体液滴在T型微通道内存在阻塞破裂、隧道破裂以及不破裂三种流型.在阻塞破裂过程中,液滴颈部厚度随时间逐渐减小,且液滴幂律指数n越大,液滴颈部厚度随时间减小得越慢.同时液滴前端运动距离随时间线性增加,且随着n的增加,液滴破裂时前端运动距离越长.在隧道破裂过程中,液滴颈部厚度也随时间逐渐减小,与阻塞破裂相似,n越大液滴颈部厚度减小得越慢.与阻塞破裂相比,液滴隧道破裂时对应的临界颈部厚度有所增加,且液滴前端运动距离随时间先快速增加,然后再缓慢增加,隧道宽度随时间近似呈对数增长.此外,液滴未破裂时液滴颈部厚度以及液滴前端运动距离出现波动现象.液滴的幂律指数n越大,液滴越容易破裂,但越不容易达到阻塞破裂.根据数值模拟结果得到了各流型相图之间幂函数形式临界分界线的拟合公式,该拟合公式可以预测不同流型.     

液滴平壁铺展过程中的滞后效应及力学机制研究

研究了液滴平壁铺展过程中的接触角滞后效应,从接触线附近流体的压力、速度以及能量分布等角度考虑滞后效应的成因和变化规律.在此基础之上分析了固体表面粗糙度对滞后效应的影响,并借助部分三维形貌参数(ISO 25178)建立了固体表面形貌与接触角滞后效应之间的量化关系.为了研究以上内容,应用数值仿真软件建立了液滴铺展动力学模型,并结合固体表面上的滞后性实验进行了相关验证.研究结果表明:由于表面粗糙度的存在,液滴铺展至平衡位置时,位于铺展前沿的液体分子被钉扎在固体表面的凹坑或低谷中,使得前沿接触角逐渐增大,后沿接触角逐渐减小,接触角发生滞后;驱动液滴铺展的Laplace压力和自身重力与阻碍液滴铺展的黏性阻力之间的平衡关系,是接触角发生滞后的主要力学机制.另外,实验结果表明接触角滞后效应与固体表面形貌密切相关,具有相同表面粗糙度(Sa)的固体表面,由于表面形貌不同接触角滞后效应可能存在明显的差异.     

Contact angle effects on microdroplet deformation using CFD

In this paper we use computational fluid dynamics (CFD) to study the effect of contact angle on droplet shape as it moves through a contraction. A new non-dimensional number is proposed in order to predict situations where the deformed droplet will form a slug in the contraction and thus have the opportunity to interact with the channel wall. It is proposed that droplet flow into a contraction is a useful method to ensure that a droplet will wet a channel surface without a trapped lubrication film, and thus help ensure that a slug will remain attached to the wall downstream of the contraction. We demonstrate that when a droplet is larger than a contraction, capillary and Reynolds numbers, and fluid properties may not be sufficient to fully describe the droplet dynamics through a contraction. We show that, with everything else constant, droplet shape and breakup can be controlled simply by changing the wetting properties of the channel wall. CFD simulations with contact angles ranging from 30° to 150° show that lower contact angles can induce droplet breakup while higher contact angles can form slugs with contact angle dependent shape.     

Lattice Boltzmann Study on the Motion of Dual Droplets in Microchannels With Contact Angle Hysteresis北大核心CSCD

接触角滞后表现为流体在非理想固体表面上运动时前进接触角和后退接触角不同,是两相流体在润湿表面上流动的重要现象.该文采用改进的伪势格子Boltzmann(LB)多组分模型,并与几何润湿边界条件相结合,研究了两个液滴在具有接触角滞后性微通道表面上的运动行为,主要研究了通道内特征数、通道表面性质以及液滴初始参数的影响.研究结果表明：毛细数的增大有助于液滴的移动,然而并不利于液滴的排出,且毛细数的增加对上游液滴的影响大于其对下游液滴的影响;另一方面,接触角滞后性窗口越大,液滴运动和形变更迟缓,但形变程度更明显,两液滴更早地发生合并,但更晚地排出管道;液滴间距的增加使液滴的运动行为在不同阶段表现为不同的模式,但都导致通道中残留小液滴,使得液滴排出通道的时间增加.研究结果还表明：上游液滴和下游液滴的相对尺寸差距越大,越不利于液滴排出管道.     

具有蒸发液滴两相介质近壁流动的数学分析

在双连续介质理论框架下，采用匹配渐进展开方法导出并求解了具有蒸发液滴的汽雾流中层流边界层方程，给出了控制汽雾流的相似判据。对于沿曲面的流动，边界层方程的形式取决于是否存在液滴的惯性沉积。给出了热钝体驻点附近蒸汽－液滴边界层的数值计算结果。它们表明：由于蒸发，在边界层内近壁处形成了一个无液滴区域；在该区上边界处，液滴半径趋于零而液滴数密度急剧增高。液滴蒸发及聚集的联合效应造成了表面热流的显著增加，甚至在自由来流中液滴质量浓度很低时此效应依然存在。     

点简支正交各向异性矩形薄板弯曲的精确解

本文利用迭加原理,给出了点简支正交各向异性短形薄板弯曲问题的封闭的级数式解答.简支点的位置和横向载荷的分布均可任意.用本文的级数解给出的算例与以往的数值解是十分一致的.     

Theoretical analysis of Rayleigh–Taylor instability on a spherical droplet in a gas stream

A linear analysis of the Rayleigh–Taylor (R–T) instability on a spherical viscous liquid droplet in a gas stream is presented. Different from the most previous studies in which the external acceleration is usually assumed to be radial, the present study considers a unidirectional acceleration acting on a spherical droplet with arbitrary initial disturbances and therefore can provide insights into the influence of R–T instability on the atomization of spherical droplets. A general recursion relation coupling different spherical modes is derived and two physically prevalent limiting cases are discussed. In the limiting case of inviscid droplet, the critical Bond numbers to excite the instability and the growth rates for a given Bond number are obtained by solving two eigenvalue problems. In the limiting case of large droplet acceleration, different spherical modes are asymptotically decoupled and an explicit dispersion relation is derived. For given Bond number and Ohnesorge numbers, the critical size of stable droplet, the most-unstable mode and its corresponding growth rate are determined theoretically.     

Predictions of the gas–liquid flow in wet electrostatic precipitators

Based on Computational Fluid Dynamics (CFD), the present paper aims to simulate several important phenomena in a wet type ESP from the liquid spray generation to gas-droplet flow in electric field. A single passage between the adjacent plates is considered for the simulation domain. Firstly, the electric field intensity and ion charge density are solved locally around a corona emitter of a barbed wire electrode, which are applied to the entire ESP using periodic conditions. Next, the Euler–Lagrange method is used to simulate the gas-droplet flow. Water droplets are tracked statistically along their trajectories, together with evaporation and particle charging. Finally, the deposition density on the plate is taken as the input for the liquid film model. The liquid film is simulated separately using the homogenous Eulerian approach in ANSYS-CFX. In the current case, since the free surface of the thin water film is difficult to resolve, a special method is devised to determine the film thickness.As parametric study, the variables considered include the nozzle pressure, initial spray spreading patterns (solid versus hollow spray) and plate wettability. The droplet emission rate and film thickness distribution are the results of interest. Main findings: electric field has strong effect on the droplet trajectories. Hollow spray is preferred to solid spray for its lower droplet emission. The liquid film uniformity is sensitive to the plate wettability.     

Effect of viscous dissipation on natural convection flow between vertical parallel plates with time-periodic boundary conditions

This article investigates the natural convection flow of viscous incompressible fluid in a channel formed by two infinite vertical parallel plates. Fully developed laminar flow is considered in a vertical channel with steady-periodic temperature regime on the boundaries. The effect of internal heating by viscous dissipation is taken into consideration. Separating the velocity and temperature fields into steady and periodic parts, the resulting second order ordinary differential equations are solved to obtain the expressions for velocity, and temperature. The amplitudes and phases of temperature and velocity are also obtained as well as the rate of heat transfer and the skin-friction on the plates. In presence of viscous dissipation, fluids of relatively small Prandtl number has higher temperature than the channel plates and as such, heat is being transferred from the fluid to the plate.     

矩形宏单元B-I模型与板结构的影响面

本文首次建立了矩形宏单元的B-Ⅰ模型,比现有模式更具实用价值及灵活性.为建立薄板内力R的影响面,文中定义了诸相应的广义分布荷载q.算例表明,本文提出的模型及广义荷载公式具有计算精度高,占用内存少等优点,对承受移动荷载的板结构,诸如双向连续桥面板,高桩码头无梁板等效果尤为突出.