SIZE DISTRIBUTION OF DROPLETS ABOVE A ROTATING STREAM TRAY AND MODEL OF DROPLET MOTION THEREIN

Droplet size distributions have been investigated with a two-probe system above a rotatingstream tray of 300 mm diameter.The measured distributions are found to follow the upper limitedlognormal distribution with three parameters dependent primarily on gas hole F-factor.A probabilitymethod is used to describe the initial state of the droplet population above the tray,and a model fordroplet motion is presented.The results computed with model agree well with experimental data.

Hydrodynamics of passing-over motion during binary droplet collision in shear flow

A combined experimental and numerical study is undertaken to investigate the hydrodynamic characteristics of singlephase droplet collision in a shear flow. The passing-over motion of interactive droplets is observed, and the underlying hydrodynamic mechanisms are elucidated by the analysis of the motion trajectory, transient droplet deformation and detailed hydrodynamic information（e.g., pressure and flow fields）. The results indicate that the hydrodynamic interaction process under shear could be divided into three stages: approaching, colliding, and separating. With the increasing confinement, the interaction time for the passing-over process is shorter and the droplet processes one higher curvature tip and more stretched profile. Furthermore, the lateral separation ?;/R;exhibits larger decrease in the approaching stage and the thickness of the lubrication film is decreased during the interaction. As the initial lateral separation increases, the maximum trajectory shift by the collision interaction is getting smaller. During the collision between two droplets with different sizes, the amplitude of the deformation oscillation of the larger droplet is decreased by reducing the size ratio of the smaller droplet to the bigger one.

基于单液滴蒸发的离心喷雾干燥数值模拟

为了分析离心式喷雾干燥塔内物理场分布和液滴运动规律,采用欧拉-拉格朗日法,耦合单液滴干燥模型,建立了喷雾干燥过程的三维稳态数学模型。以70%(湿基)麦芽糊精溶液为原料液,在中试喷雾干燥系统上进行实验,测定了塔内温度分布。结果表明,模拟的塔内特征点温度与实验结果吻合良好,平均相对误差为1.84%,验证了模拟结果的准确性和可靠性。考察塔内连续相传递过程发现,三维物理场分布不是轴对称的,塔中心区域具有较高的温度、较低的水蒸气含量和较大的气流速度。分析液滴运动轨迹和干燥过程发现,较大的液滴干燥时间较长,较小的液滴干燥时间短但由于发生回旋返混停留时间较长。模拟研究了进风温度、雾化盘转速和进风角度对塔内物理场分布和液滴干燥行为的影响,分析了喷雾干燥过程的传质传热机理。

基于介电泳的液滴动力学行为研究

为探究非均匀电场下液滴受介电泳作用的运动及变形,采用COMSOL Multipysics TM软件,研究波纹板-平板电极结构下液滴的运动与变形规律,讨论平板-平板电极与波纹板-平板电极的液滴动力学差异,分析电场参数、工质参数对单个液滴运动速度及变形的影响。结果表明:随着时间增加,较平板-平板电极结构,波纹板-平板电极结构中液滴速度与变形差异逐渐增大;随着电压幅值增加,电场梯度的增大导致液滴速度增加,最高增至3.03 mm/s,同时电场力的增加导致液滴变形加剧;交流矩形波对液滴运动速度及变形的影响强于交流正弦波、交流三角波、交流锯齿波;随着油相黏度减小,液滴所受阻力减小,其运动速度及变形增大,0.2 Pa·s时液滴的最大变形量可以达到3.73;当液滴位置逐渐靠近波谷位置,其所受电场强度及电场力逐渐增加,导致液滴运动速度及形变量增加。相关结论可为原油脱水与油静电净化领域提供理论基础。

直流电力设备表面电致水滴变形现象的数值模拟方法

电致水滴运动变形是一种涉及电场与流体场相互耦合的复杂物理现象,常见于雨后的绝缘子金具、设备高压均压环表面,高效快速的数值模拟方法是揭示雨滴变形和激发电晕的物理机制的基础。为此针对三维电动流体模型数值计算中常见的计算时间长、收敛困难的问题,从电场唯一性定理出发提出了基于场等效的数值模拟方法,从光偏折原理出发搭建了基于阴影法的水滴变形现象观测平台,通过数值仿真与试验拍摄结果对比的方式验证了该方法的有效性。研究结果表明:本文方法构建的电场与原始电场的相对误差在0.01%以内;数值模拟得到的水滴在正极性直流电压下的喷射形态与试验符合较好,通过比较水滴根部、中部、头部宽度和长度,表明数值模拟和试验的相对误差在10%以内,验证本文模拟方法的有效性,同时在保证收敛性的情况下计算时间由8 h缩短至1 h。

动车组车顶环氧树脂绝缘子合模缝对闪络路径的影响分析

动车组车顶环氧绝缘子在注射成型过程中,伞裙表面沿竖直方向会出现两条合模缝,凸起的棱边会畸变其附近的电场。本文对动车组车顶环氧绝缘子在湿润工况下合模缝对闪络路径的影响进行研究,通过喷淋闪络试验,比较合模缝处与伞裙其他部位的闪络概率,观察水滴在环氧树脂伞裙表面的运动特性,并通过仿真分析合模缝对水带形成、电场强度和电流密度分布的影响。结果表明:在合模缝处容易形成闪络通道,且在电场的作用下,合模缝附近的水带会拉伸甚至桥接相邻伞裙。高压端伞裙表面合模缝处水带的电流密度比伞裙其他部位的水滴电流密度高1倍以上;桥接伞裙的水带会畸变局部电场,缩小爬电距离和增加单位爬电距离承担的电压值。

基于SPH方法的液滴自运动数值研究

为研究液滴在具有润湿性表面上的自运动规律,基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,对具有不同表面张力梯度壁面上的液滴自运动进行了数值模拟研究,结果显示,表面张力梯度润湿形式为指数函数时液滴的位移最大,且位移随时间的变化较为平缓;表面张力系数函数图像越凹陷,液滴与壁面的接触长度越长,反之越短;液滴半径和密度对液滴的位移影响不大,而对黏性的影响较大。

除雾器内雾滴运动特性与除雾效率

利用流体动力学计算方法对湿法脱硫折流板除雾器内气液两相流动进行数值模拟。分析了除雾器叶片间距、板型及流速对不同粒径雾滴的分级除雾效率和总除雾效率的影响,获得了不同粒径雾滴的运动和捕集规律。研究结果表明,粒径小于10μm的雾滴去除效率随流速增加呈现不规律的波动,随板间距增加而下降的趋势不明显,不受叶片形状变化影响;粒径大于16.3μm的雾滴去除效率随流速增加而增大,随板间距增加而显著下降;在板间距为38 mm时,梯形板除雾效率大于三角形板,在板间距较小的情况下两种板型的性能相差不大;流速小于3m·s-1时,粒径小于20μm的雾滴的去除对气流均匀性要求较高,气流扰动增加利于小雾滴的碰撞聚并;流速高于3 m·s-1时,气流扰动增强增加了小雾滴运动的随机性,不利于小雾滴的碰撞聚并。

涂覆超疏水涂层绝缘子表面覆冰过程

超疏水性涂层表面水滴运动特性与冻结过程是影响其防覆冰性能的重要因素,同时也是研究应用超疏水性涂层进行绝缘子防覆冰的重要基础。在低温低气压试验室中进行了超疏水表面水滴运动与冻结过程以及涂覆疏水性涂层绝缘子覆冰特性试验,分析了超疏水性涂层表面水滴开始碰撞表面到表面完全被冰层覆盖的动态过程,研究了涂层表面水滴的运动特性和冻结过程及影响因素。试验结果表明:超疏水性涂层表面过冷却水滴的运动特性受接触角、接触角滞后、表面缺陷等因素的影响;水滴的运动特性越好,形成冰层进入覆冰稳定增长的所需时间越长;超疏水涂层能在一定程度上延缓绝缘子的覆冰,涂层的接触角越大、接触角滞后越小,水滴滚动特性越好,延缓覆冰时间相对越长。

烟气-水直接接触式换热性能研究

研究了水滴的运动特性和烟气与水的传热传质特性,建立了烟气-水直接接触式换热的微分方程,得到了烟气和水的温度分布的数值解。分析了影响换热的主要因素,结果表明,水滴粒径、水气比和换热器高度是影响换热的主要因素。对某燃气锅炉房烟气余热回收工程的直接接触式换热器进行了实测,验证了理论计算结果的准确性。

错流型超重力旋转床中液滴的运动及二维建模

从气体的流场和液滴的碰合出发 ,用液滴粒径 -位置联合分布模型描述了液滴群运动的特征 ;在此基础上 ,提出了错流型超重力旋转填料床中液滴的二维运动模型 .模型物理意义明确 ,不含有可调动参数 .模型计算得到的液滴的相界面积与实验实测值的误差在 10 %以内 .

多级雾化超重力旋转床中液滴运动及三维模型

从气体的流场、液滴的碰合出发 ,用液滴粒径 -位置联合分布模型描述了液滴群运动的特征 ,并在此基础上提出了多级雾化超重力旋转床中液滴运动的三维模型 .该模型物理意义明确 ,不含有可调动参数 .采用四阶龙格 -库塔法进行计算 ,其模型计算值与实验实测值相吻合 .

湿工况下平翅片平面凝水形成及运动过程的数值模拟与实验验证

了解析湿过程中冷凝水对换热器翅片侧换热和压降的影响机制,需要首先建立湿工况下翅片表面冷凝水滴形成及运动过程的模型。本文通过对翅片表面上冷凝水滴的形成和运动机制进行分析,建立水滴形成过程的传质传热模型以及接触角模型,并结合VOF界面追踪方法来描述气液相界面、计算表面张力,从而预测冷凝水滴在竖直翅片表面形成及运动过程。通过实验对模型的可靠性进行了验证:对于传热系数,模型计算结果与实验数据平均误差为6.9%,模型对于96%的实验数据点预测误差在±15%以内;对于传质系数,模型计算结果与实验平均误差为12.1%,模型对于91%的实验数据点预测误差在±20%以内;对于翅片表面水滴形成和运动过程,模型计算结果与可视化实验结果能够较好地吻合。

空气阻力系数对水滴运动及蒸发的影响

应用喷灌条件下水滴的运动、蒸发及分布模型对水滴的飞行时间、飞行距离以及蒸发率进行了预测,并对5种空气阻力系数计算公式(Bird、Park、Fukui、伊沙叶夫、Wallis)求得的预测值和实测值进行了比较。结果表明:应用Bird、Wallis、Fukui公式预测的水滴飞行时间与实测值随水滴直径的变化趋势一致,应用Park和伊沙叶夫公式求得的水滴飞行时间预测值与实测值的相对误差最小;5种阻力系数公式均能较准确地预测水滴飞行距离,其中Park公式的预测精度最高;5种阻力系数公式对于单个水滴蒸发率的预测结果与实测值之间的平均相对误差在26.1%～30.2%之间;5种阻力系数公式对总蒸发率的预测影响不明显,预测值与实测值之间的平均相对误差在15.2%～17.5%之间。建议在水滴运动和蒸发计算中采用Park阻力系数公式。

剪切气流驱动液滴运动的受力分析

实验研究了剪切流驱动的液滴在固体表面上起始运动的受力机理。工作中使用一系列液体和固体表面来获得不同的液滴接触角,并在小型风洞中进行实验。实验中对液滴的启动气流速度进行了测量,并综合各种起始时刻的参数信息,建立了一个关于液滴接触线表面张力和剪切气流拖拽力平衡的数学模型,揭示了液滴脱落时刻的受力情况。所建立的模型更适合液滴1变形情况,但对于其它类似情况的剪切气流驱动液滴运动也能够进行合理的描述。

高压静电破乳中离散液滴的动力学分析

考虑乳化液离散液滴的直径分布,对高压直流静电破乳过程中离散液滴的运动进行了理论模拟。模拟及实验结果表明,在高压静电作用下,离散滴液从一侧电极向另一侧电极运动。沿液滴运动方向,液滴浓度逐渐增大,并在电极附近达到最大。随着静电作用时间的延长,电极附近液滴浓度近似呈线性规律增大。在相同的作用时间内,高电压液滴浓度的增长幅度要更大。因此,尽可能提高施加电压要比单纯延长静电作用时间的破乳效果更好。此外,大的液滴运动速度更快,故对于离散相滴径较大的乳化液,破乳效率会更高。

水平固体表面温度梯度下硅油液滴运动

液滴的操控技术成为当今微流体技术的重要发展方向,气-液、气-固、固-液等界面问题日益突出。首先通过实验方法,研究了在水平固体表面液滴由温度梯度引起的热毛细迁移行为,从理论方面分析了温度梯度、接触角滞后作用对液滴迁移速度的影响。然后通过数值模拟方法求解N-S方程耦合能量方程,获得硅油液滴运动过程内部温度场和流场的变化过程。结果表明:当基底存在温度梯度时,液滴在基底表面会向冷端迁移,并伴随着接触角滞后现象,表面张力梯度作用使液滴内部产生两个涡胞,涡胞的发展影响液滴的迁移过程,两个涡胞发展为单个涡胞,液滴迁移速度趋于稳定。

三维空间液滴运动模型数值解法研究

提出了数值求解三维空间液滴运动模型的算子分裂算法(OS算法),并与常用的显式单步长Runge-Kutta(RK)算法进行了比较。简述了三维空间液滴运动模型的具体形式,提出了求解该模型的OS算法,以求解不同直径液滴在波形板汽水分离器内的运动轨迹作为算例,从OS算法的相容性、稳定性、计算精度和计算效率(CPU耗时)等方面,与4级4阶显式单步长RK算法进行了比较。结果表明,OS算法所构造的离散格式与液滴运动模型相容,采用此算法计算得到的液滴运动轨迹与RK算法得到的结果相似,而OS算法的稳定性和计算效率均优于RK算法。因此,OS算法的提出为数值计算波形板的分离效率提供了较为稳定、高效的算法。

湿工况下翅片表面冷凝水滴运动的数值模型

了解析湿过程中冷凝水对换热器翅片侧换热和压降的影响机制,需要首先建立湿工况下翅片表面冷凝水滴的运动模型。通过对翅片表面上冷凝水滴进行受力分析,得出了水滴运动的判断条件;建立了水滴接触角预测模型,并结合VOF界面追踪方法来描述气液相界面、计算表面张力,从而建立了预测冷凝水滴在竖直翅片表面运动过程的数值模型。通过水滴运动实验对模型的可靠性进行了验证:水滴与翅片表面接触角的模拟值与实验值的平均误差为2.11%,最大误差为2.51%;水滴运动速度的模拟值与实验值的平均误差为6.5%,最大误差为10%。结果表明:水滴运动模型能够准确的预测水滴在翅片表面的运动规律。

固体表面液滴定向运动行为研究进展

液滴在固体表面定向运动极具研究价值,目前被广泛应用于水收集、油水分离、微流控、自清洁等领域,已成为表界面领域的研究热点。同时,液滴定向运动行为研究对理解液体与固体表面之间的作用机制具有重要意义。然而,目前对液滴定向运动的研究主要集中在宏观尺度观测与分析方面,缺乏对基本原理的深入探索,并且对实现液滴定向运动的基本条件认识不足。同时,人造仿生材料存在工艺复杂、成本高昂,以及运动距离相对较短、运动速度相对较小等缺点,限制了其适用范围。另外,虽然广大学者在液滴定向运动行为研究方面已经取得了较多成果,比如制得微型混合器、流体二极管等,但这些研究仅局限在实验室阶段,如何将其广泛应用于日常生活仍有待进一步研究。目前,学者们从液滴润湿性基本原理出发,发现仙人掌、猪笼草、瓶子草、蜘蛛丝、蝴蝶等天然材料表面可以实现液滴定向运动,其中,瓶子草绒毛表面液滴定向运动速度高达(11738±715)μm·s-1。在此基础上,广大学者通过静电纺丝、电化学腐蚀、光刻法、浸涂法等方式对仙人掌刺、猪笼草口缘、瓶子草绒毛、蜘蛛丝等做了进一步的仿生研究,其中仿蜘蛛丝实现了液滴的可逆运动和高效水收集。此外,受天然材料表面液滴定向运动启发,有学者研制了可实现液滴快速、长距离、方向可控运动的拓扑流体二极管,而结构简单的箭头状微结构更是为实际应用提供了可能。本文全面综述了近10年国内外学者在仙人掌、猪笼草、瓶子草、蜘蛛丝及蝴蝶等天然材料表面液滴定向运动行为方面的研究进展,从表面能梯度、Laplace压力梯度及毛细力等角度分析了固体表面液滴定向运动的基本原理,同时展示了国内外在仿生定向运动表面的典型研究实例。最后,对该领域未来的研究工作提出了一些建议。