液滴撞击超亲水表面的最大铺展直径预测模型

液滴撞击超亲水表面铺展之后形成的薄液膜铺展直径是喷雾冷却、降膜蒸发等传热传质过程的一项关键控制参数.以往模型在预测超亲水表面惯性力驱动下的最大铺展直径时,存在低韦伯数下呈反常趋势、高韦伯数下预测值偏低等问题.针对上述问题,本文采用高速摄像技术研究液滴撞击过程中的铺展水力学特性,发现了以往模型未完全考虑超亲水表面的铺展特性:球冠状液膜、高黏性阻力及重力势能做功.本文考虑了液膜球冠形态、重力势能、辅助耗散,修正了以往最大铺展直径的预测模型,并建立了适用于超亲水表面最大铺展直径的预测模型.通过对铺展过程中各能量成分分析发现,在超亲水表面上动能、表面能、重力势能均转化为黏性耗散能,其中:在低韦伯数下,表面能转化为黏性耗散能占主要作用;在高韦伯数下,动能转化为黏性耗散能占主要作用.并且,在低韦伯数下,重力势能和辅助耗散的引入对于准确预测超亲水表面最大铺展直径具有重要作用.将模型预测结果与实验结果比较发现,本模型成功消除了以往模型在低韦伯数下的反常趋势,且能较好预测宽韦伯数范围下超亲水表面最大铺展直径.同时,本模型可以预测亲水和疏水固体表面的液滴最大铺展直径.超亲水表面最大铺展直径的准确预测模型的提出对喷雾冷却,降膜蒸发中提高和控制流体铺展距离和传热效率具有重要意义.

Collings模型预测微液滴最大铺展直径因数研究

目的—微液滴撞击平面基底承印物表面的铺展行为决定喷墨网点的大小,决定数字喷墨印刷成像的质量,研究微液滴撞击平面基底的铺展行为对印刷行业具有重要意义。方法—研究Collings等人的液滴撞击平面铺展模型,基于能量平衡方程推导Collings模型表达式,得出最大铺展直径因数与韦伯数、接触角的函数关系,而且将模型计算结果和试验数据进行对比,分析总结Collings模型公式的适用范围。结论—该模型在液滴直径较小、撞击速度较慢、液滴的韦伯数介于[15,115]、雷诺数远大于韦伯数的条件下,对液滴的最大铺展直径因数具有较好的预测能力;其它条件下,需要考虑更多的物性参数才能更准确地预测微液滴最大铺展直径因数。

液滴撞击平板的铺展特征

采用高速摄像仪研究了液滴在不同韦伯数和撞击角下撞击干燥平板时的铺展行为。结果表明,当撞击角相同时,韦伯数越小,液滴最大横向铺展直径也越小;韦伯数相同,撞击角越大,液滴横向铺展直径越大;在铺展和回缩过程中,环形液层外圈相对于内圈在达到横向最大铺展直径时具有滞后现象。

液滴撞击柔性材料表面铺展特性的实验研究

采用高速摄影与计算机图像识别技术,研究了单个液滴撞击不同厚度、不同弹性模量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)样品表面后的动态铺展过程,获得了液滴与柔性材料表面的移动接触线直径随时间的变化规律。实验结果表明:柔性材料在撞击过程中受压变形所导致的固体材料粘性能量耗散与系统的总能量相比很小,不会对液滴的铺展过程产生明显影响;在较低的撞击速度下,柔性材料表面形成的润湿脊所导致的粘弹性能量耗散是系统能量耗散的重要因素,且随着柔性材料弹性模量的减小而增大,因此液滴撞击弹性模量较小的PDMS表面时的最大铺展系数相对较小;当撞击速度增大后,粘弹性能量耗散在总能量耗散中所占的比例降低,液滴铺展过程中的液体粘性能量耗散所占比例逐渐升高,柔性材料弹性模量对液滴铺展行为的影响逐渐降低。

液滴撞击随机粗糙表面的动态行为特性研究

在航空发动机清洗过程中,通过清洗液滴与叶片积垢撞击实现发动机在翼清洗,因此液滴在随机粗糙表面撞击、铺展、浸润的研究对提升发动机在翼清洗效果有重要意义。为获得液滴撞击随机粗糙表面的撞击特性,本文研究了清洗液滴在随机粗糙表面撞击、铺展、浸润的动力学行为,重点分析了液滴直径和撞击速度对撞击特性的影响。结果表明,相比于光滑壁面,由于壁面粗糙度的作用,液滴铺展边缘会产生许多破碎的小液滴,且粗糙结构的凸起和间隙使得间隙内产生气泡进而影响润湿效果;液滴的铺展直径与液滴直径和撞击速度正相关,有助于抵消壁面粗糙度造成的液滴飞溅;壁面润湿程度随液滴直径和撞击速度增加,但撞击速度对撞击核心区域的润湿程度影响较小。本文研究成果可为优化航空发动机在翼清洗工艺参数提供一定的理论依据。

液滴流撞击热金属表面铺展行为实验研究

对单束液滴流撞击高温金属表面的铺展行为进行实验研究。通过观察粒径均匀稳定的液滴流撞击不同温度的金属表面,利用高速摄像机进行图像拍摄并用IPP软件进行图像分析处理。实验结果表明:液滴流在热金属表面铺展的过程中,温度对铺展行为有明显的影响,随着温度的升高,最大铺展直径减小,润湿接触角增大。在Leidenfrost温度区间内,铺展直径和接触角波动较大。

基于SAC305焊料的红外激光植球功率和时间对焊点形态的影响

为了探究工艺参数对激光植球焊点形态的影响,采用激光器波长为1064 nm的激光植球设备对直径0.6 mm的SAC305焊球在覆铜板上进行植球。基于单因素实验法,通过红外测温系统对激光植球熔池温度进行测量,使用3D轮廓测量仪对焊点圆度、铺展直径、焊点高度、小孔直径和小孔深度等参数进行测量。研究了激光功率和加热时间对焊点参数的影响。结果表明,熔池温度在保温区出现先升高后降低的趋势;随着加热时间的增加,冷却区熔池的冷却速率逐渐降低;激光功率的增加使得熔池温度的升温速率增加且冷却区起始温度升高。随着加热时间和激光功率的增加焊点铺展直径和小孔直径相应增大,焊点高度逐渐降低;随着加热时间的增加小孔深度呈现先增大后减小的趋势;随着激光功率增加小孔深度逐渐增大。该研究结果可为植球工艺参数的选择提供参考。

药液表面张力和黏度对草甘膦药效的影响及其机理研究

通过添加有机硅助剂和丙三醇调节草甘膦药液的表面张力和黏度,测定其对草甘膦药液液滴的物理性状及生物活性的影响。结果表明:降低药液的表面张力,雾滴的铺展直径增加,干燥时间缩短,药液的黏度以及在杂草叶片表面的最大稳定持留量没有显著性变化;草甘膦对杂草的防效表现为先升高后降低,对阔叶杂草最高目测防效和鲜重防效可提高42%和41%,对禾本科杂草防效可提高37%和37%。增加草甘膦的药液黏度,药液在杂草叶片上的最大稳定持留量增加,表面张力降低,对雾滴的干燥时间和铺展直径影响很小;草甘膦对阔叶杂草最高目测防效和鲜重防效可提高42%和41%,对禾本科杂草的防效可提高42%和42%。适当降低草甘膦药液的表面张力或增加其黏度均可提高其对杂草的防除效果。

液滴高速撞击固体板面过程的研究

以旋风分离器内的液滴运动情况为背景,对不同液滴撞击板面现象进行了实验研究,通过分析不同撞击速度下的铺展现象发现,初始撞击速度对铺展过程影响很大,且与飞溅参数密切相关,即高速撞击易发生飞溅现象;在液滴的铺展过程中粘性力与表面张力不断地克服惯性力作用,直至达到最大铺展直径并回缩。相同条件下的同一液滴,增加撞击速度铺展直径随之增大;对于不同液滴,在相同撞击速度下,粘性较小的液滴易于铺展,最大铺展直径较大。此外,在对所测数据分析后发现,文献中提到的液滴铺展直径与铺展时间之间的幂函数关系只有在低速撞击条件下(速度小于6 m/s)适用,而本文提出的指数函数能更好地预测液滴铺展直径与时间的关系。

药液表面张力和粘度对苯达松水剂生物活性及增效机理的影响

通过采用有机硅助剂、丙三醇调节除草剂水剂苯达松的表面张力和粘度,测定其对铺展直径、干燥时间、稳定持留量及生物活性的影响。结果表明,降低药液表面张力,铺展直径增加,干燥时间缩短,粘度、最大稳定持留量没有显著性变化。苯达松对龙葵目测防效和鲜重防效可提高32%和35.81%。增加药液粘度,最大稳定持留量增加,表面张力降低,干燥时间和铺展直径影响较小;苯达松生物活性逐渐增加并趋于平稳。苯达松对龙葵目测防效和鲜重防效最大可分别提高32%和31.26%。适当降低除草剂水剂水表面张力或增加粘度可提高其生物活性。

不同亲疏水表面液滴动力学行为实验研究

利用高速摄像仪记录了液滴在低速下撞击不同亲疏水性固体表面的过程，记录速度为4000fps。实验在常温常压下进行，液滴的初始直径为（2．25±0．02）mm，对不同固体材料壁面，液滴以3种速度撞击，并采用图像处理技术获取液滴以不同速度撞击不同固体材料壁面下的形态变化参数。结果表明：不同撞击速度、不同亲疏水性固体材料壁面对液滴铺展直径D、液滴高度h等参数均有重要影响；同种速度下，亲水的石英玻璃壁面最大铺展直径D较大、铺展所需时间较长、回缩程度小，铺展后达到平衡状态的震荡周期数少，液滴高度^较小；同种固体表面，液滴撞击速度增大（O．94-1．64m／s）时，最大铺展直径D依次增大，液滴高度h从最低点回升直至平衡的震荡周期数依次减少，达到平衡的时间变短。

液滴撞击大豆叶片表面研究

为提高大豆植保机械施药过程中的农药利用率,本文通过观察大豆叶片表面特征,分析大豆叶片生物性状,测量液滴在大豆叶片表面的接触角,测试大豆叶片表面的粘附性,进一步利用高速摄像机记录单液滴撞击大豆叶片过程。结果表明,液滴撞击的动态压力会使得液滴嵌入叶表结构当中,毛状结构亦能刺透并使液滴破裂,影响液滴撞击过程的破碎规律。随着液滴撞击速度的增加,液滴粒径大小为2. 25 mm时,液滴铺展直径表现为先增加后减少,其中撞击速度1. 34 m·s^(-1)时,撞击We数55. 57,最大铺展直径为3. 94 mm,当撞击速度≥1. 03 m·s^(-1)时液滴出现破碎喷溅,随着撞击速度增加液滴破碎、喷溅、弹离叶片表面的数量迅速增加,当撞击We数> 32. 83时液滴撞击过程中出现不同程度的破碎、喷溅,当撞击We数<32. 83时液滴未出现破碎现象。改变粒径大小,随着粒径增大液滴铺展直径随之增加,当液滴粒径<2. 19 mm时液滴撞击叶片表面后出现反弹,当液滴≥2. 19 mm时液滴撞击过程有反弹趋势,但是撞击动能不足、叶片高粘附性等因素影响,液滴未弹离叶片表面。因此,当撞击速度在1. 34 m·s^(-1),粒径2. 19 mm时达到最佳值。

溴氰菊酯乳油液滴在蕹菜叶面的叠加凝并行为研究

为了探究溴氰菊酯乳油液滴在蕹菜Ipomoea aquatica Forsk叶片表面的叠加凝并行为及其动态接触角变化规律,采用纤维细度分析仪和光学接触角测量仪,观测蕹菜各分割部分的叶面形貌特征,测定了25 mg/L溴氰菊酯乳油的表面张力、液滴叠加凝并前后动态接触角及铺展直径等润湿参数,并依据幂次法则对液滴叠加铺展驱动力成因进行分析。结果显示:25 mg/L溴氰菊酯乳油的表面张力为29.02 mN/m;当垂直方向碰撞速率为0.082 6 m/s时,蕹菜叶面5μL等体积液滴会以2种方式发生叠加凝并,即滚入底部吸入凝并和直接顶部吸入凝并,两种方式从叠加开始至凝并形成新液滴的时间分别为0.035 2 s和0.025 1 s;前者凝并成新液滴后接触角减小12.9%,而后者的接触角均有不同程度的增加,最大增幅达27.4%;两种方式叠加凝并形成新液滴的铺展直径随时间的变化分别呈线性关系和符合幂函数关系(幂值α<0.1),据此推测前者(滚入底部吸入凝并方式)是完全由表面张力梯度导致的超铺展行为,后者(直接顶部吸入凝并方式)是由动态表面张力主导驱动的铺展行为,前者药液在蕹菜叶片表面的铺展效果优于后者。

基于LBM的液滴撞击液膜数值模拟

结合格子玻尔兹曼方法(LBM)与VOF法对液滴撞击液膜的过程进行数值模拟。对不同分子结构下液滴撞击液膜的铺展、水花的形成以及飞溅等现象进行了分析描述,定量地讨论了水花飞溅的高度以及液滴撞击后在液膜上的铺展直径,并在此基础上对不同形状液滴撞击液膜的动态特性和最大涡量进行分析。结果表明:液滴在空气中撞击液膜更容易产生水花并伴随二次小液滴的产生,且铺展直径最大;液滴在氦气中仅会有水花产生,说明液滴在氦气中水花的飞溅受到了抑制;液滴在氮气中溅起的水花比甲烷高,但其铺展面积相近。在不同形状的液滴下,AR值较大的液滴不会出现射流现象,扁椭圆液滴撞击液膜后产生的最大涡量值更大。

激光前向转印液滴碰壁的仿真与试验研究

激光诱导前向转印(LIFT)是一种应用广泛的微加工技术,目前逐渐成为微细加工的研究热点之一。本文采用水平集方法,建立了激光前向转印过程中液滴撞击固体壁面的数值模型,探究了壁面湿润性和液滴初始速度对熔融金属液滴撞击壁面后铺展形貌的影响。结果表明:接触角越大,液滴撞击壁面越容易发生回缩破碎,液滴回弹的可能性越大;随着初始速度的提升,液滴的最大铺展面积逐渐增大,液滴铺展时间逐渐增长。在试验中通过施加不同强度的激光能量获得不同初始速度的液滴,将液滴沉积点尺寸与仿真液滴铺展尺寸进行对比,发现两者具有较好的一致性,因此可以通过建立的仿真模型对激光转印液滴的沉积尺寸进行预测。

菠菜叶面溴氰菊酯液滴的叠加凝并过程与施药效果

[目的]探究溴氰菊酯药液液滴在菠菜叶片表面的叠加凝并过程及其对施药效果的影响。[方法]采用光学接触角测量仪测量溴氰菊酯液滴的表面张力、液滴叠加前后动态接触角及铺展直径等润湿参数。[结果]溴氰菊酯乳油稀释400倍后药液液滴的表面张力为39.63 m N/m;当液滴高度为8 mm,液滴撞击速度为0.073 m/s时,菠菜叶面等体积(4~6μL)液滴在垂直方向叠加碰撞会出现3种行为:即单方向撞击相邻液滴凝并,中间间隙撞击相邻液滴凝并,单方向撞击相邻液滴不凝并;前2种叠加凝并成新液滴后接触角均减小,减幅在34.69%~40.5%范围内,而后者叠加凝并形成的新液滴,其接触角增大,增幅在6.47%~14.2%;当相邻液滴间距L≤0.69 mm时,液滴单方向撞击会与相邻液滴凝并,当相邻液滴间距L≥0.77 mm时,液滴单方向撞击不会与相邻液滴凝并。[结论]中间间隙撞击相邻液滴凝并行为是3种叠加凝并行为中铺展直径增幅最大的,增幅达到152.09%,其施药效果优于另外2种叠加凝并行为。