喷印金属双液滴撞击固体形成气泡的模拟研究

喷墨打印镓金属液滴撞击固体表面时会产生空气夹带,造成气泡沉积出现喷墨打印导线不互联现象,深入理解气泡形成的影响因素是解决此问题的关键。为消除气泡,提高打印导线互联性,本研究使用Ansys Fluent软件,采用VOF耦合水平集方法,建立了二维镓金属双液滴撞击固体铜基板过程的仿真模型,研究了水平壁面温度、双液滴间距、倾斜壁面角度、倾斜壁面温度等参数对金属双液滴撞击固体壁面形成气泡过程的影响规律。研究结果表明,对于水平基板,在不同基板温度下气泡的大小呈现双向变化,金属双液滴间距的增加更有利于液滴铺展。当金属双液滴间距S=D_(0)-2.38D_(0)时,有气泡形成;当S=2.38D_(0)-2.5 D_(0)时,液滴铺展出现断裂,且气泡随温度的增加没有明显变化;当金属双液滴间距S=2.6 D_(0)时,随着温度的增加不再产生气泡,此时喷墨打印液滴表现出最佳精度,提高了打印导线的互联性。对于倾斜基板,使用参数韦伯数(We⊥)和参数(K⊥)表征金属双液滴形成的气泡,当撞击倾斜壁面韦伯数We⊥>15、K⊥>0.035时,液滴会在固体表面上形成气泡;当We⊥>16、K⊥>0.04时,形成的气泡直径随壁面温度的增加而减小;当15<We⊥<16、0.035<K⊥<0.04时,液滴出现铺展断裂,并且气泡直径随着壁面温度的增加而减小;当5<We⊥<15、0.015<K⊥<0.035时,液滴铺展断裂且气泡直径变大;当We⊥<5、K⊥<0.01时,液滴在基板形成的气泡消失,此时为喷墨打印液滴的最佳精度,可提高打印导线的互联性。该研究为优化喷墨打印金属液滴的工艺提供了重要理论依据,有望在实际应用中消除气泡,进一步提高喷墨打印导线的互联性。

基于格子玻尔兹曼方法的双液滴撞击壁面液膜的热特性演化过程

为了研究并排双液滴撞击覆有液膜的高温壁面过程中壁面热流密度分布特征,基于水热耦合双分布函数格子玻尔兹曼伪势模型,探究了液滴间距、撞击速度和液相黏滞系数在不同时刻对壁面瞬时热流密度分布的影响。结果表明:低温液滴的扩散与下潜导致撞击区和中心射流区的壁面与液膜之间的温度梯度上升,引起撞击区和中心射流区壁面热流密度骤增。撞击区传热形式以对流传热为主,静态区受液冠处速度不连续性影响,其传热形式以扩散传热为主。双液滴撞击速度增大导致液滴下潜和扩展程度加深,液膜内部对流传热增强。双液滴间距增加引起双液滴内侧液冠在液膜内扩展空间增大,造成瞬时壁面高热流密度区域面积增加,利于散热。此外,更大的液相黏滞系数增大了液滴撞击液膜过程中的黏滞耗散,降低低温液滴的下潜程度和撞击区的液膜流场对流强度,导致壁面热流密度峰值减小。

双液滴对不同润湿性冷表面连续撞击的数值模拟

采用凝固/熔化模型和VOF(Volume-of-fluid)模型相结合的数值模拟方法研究了双液滴在低速条件下以不同的润湿性连续冲击冷表面的冻结行为。对比了液滴两种接触模式(扩散接触和收缩接触)下的液滴铺展及相变过程。模拟结果表明,液滴的聚结对液滴的形态有显著影响。当双液滴连续冲击亲水表面时,扩散接触的最大扩散因子相比单液滴增加26%~38%,收缩接触的最大扩散因子比单个液滴冲击增加15%~30%。而在超疏水表面上,单、双液滴冲击之间的最大扩散系数差异小于2%,可以忽略不计。此外,对双液滴在低温下与超疏水表面发生碰撞进行分析,得到完全反弹、部分反弹和完全粘附3种撞击结果在不同接触模式下液滴聚合以及凝固过程的影响规律。

飞秒激光致双液滴光学击穿和等离子体分布研究

为了研究超短激光脉冲与双液滴相互作用过程中的光学击穿和等离子体分布,基于麦克斯韦方程组和电离速率方程,构建了飞秒激光与双液滴的瞬态耦合模型,使用有限元分析方法,对飞秒激光辐照微米量级双液滴的自由电子密度和光场分布进行了计算,得到了双液滴结构对液滴光学击穿和等离子体变化的影响。结果表明,第2个液滴的击穿阈值约为同等条件下单液滴击穿阈值的35%;等离子体的形态和击穿点的位置随双液滴间距发生变化,且在聚焦区域产生纳米等离子体射流;第2个液滴对激光能量的吸收随着双液滴间距的增加而减少;当分别使用满足击穿阈值的光强入射,双液滴吸收的能量约为单液滴的3%;第2个液滴对激光能量的吸收随光强增大而增大,能量吸收比例最终趋于0.01,仅为单液滴的1.5%。该研究为激光诱导水击穿和激光在大气中的传输提供了一定的参考。

LNG船液舱预冷中甲烷双液滴自然对流传热特性分析

针对液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)船液舱喷雾预冷过程中上下垂直的双液滴在自然对流条件下同种蒸汽中液滴之间影响研究的欠缺,运用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,基于气液界面能量守恒原理,对不同温差、粒径和相对距离条件下甲烷双液滴自然对流传热特性进行分析。研究结果表明:液滴表面热流密度、传热量和质量蒸发率随温差10~190 K的增大而线性增大;液滴表面热流密度随粒径0.1~2.5 mm的增加先快速减小后缓慢减小,传热量和质量蒸发率随粒径的增加而快速增加;上液滴表面热流密度、传热量和质量蒸发率随相对距离10~70的增加基本不变,下液滴表面热流密度、传热量和质量蒸发率随相对距离10~70的增加而缓慢增加。

LNG双液滴蒸发模型及应用

液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)在液舱预冷过程中以多液滴的形式存在,现阶段缺少LNG多液滴在同种蒸汽中的蒸发模型。以双液滴为基础,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,建立适用于LNG双液滴在其蒸汽中的蒸发模型。利用该新模型对温差为190 K、相对距离为10~70,粒径为0.1~2.5 mm的液舱预冷过程进行模拟分析,得出具有实际应用价值的结果:在液舱预冷起始阶段温度下降的速度较快,且随着时间的增加,双液滴相对距离越大,液舱预冷结束时间越小;双液滴液舱预冷结束时间与粒径呈反比关系,与起始温度呈正比关系。该新模型可适应于实际工程应用。

双液滴同时垂直撞击壁面的数值研究

采用质量守恒的level set方法对双液滴同时垂直撞击干壁面后的流动过程进行了模拟研究,主要讨论了韦伯数(We)、壁面接触角(θ)以及双液滴水平间距(S)等物理参数对相界面流动过程的影响,分析了不同参数下射流高度和水平铺展半长随时间的变化规律.研究表明:We数较大时,中心射流液柱将产生二次液滴,随后液柱反弹至空中,且We数越大,中心射流产生的二次液滴次数越多,最大无量纲射流高度和最大无量纲铺展半长越大;随壁面接触角的增大,中心射流液柱出现反弹现象,水平铺展液流出现断裂的时间越早,最大无量纲射流高度和最大无量纲铺展半长越小;最大无量纲射流高度值与液滴水平间距的相关性不单调,铺展半长随水平间距的增大而增大.

双液滴同时垂直撞击液膜数值研究

应用数值法对双液滴垂直撞击液膜的动力学行为进行研究.采用VOF法结合网格局部瞬时加密技术捕捉气液两相界面.主要讨论了液滴韦伯数和液滴间距对碰撞演化过程和飞溅特性的影响,给出演化过程中包括二次液滴数量及尺寸等特性参数的变化规律.结果表明,双液滴撞击液膜,除了会生成皇冠形水花外,还会出现水花相撞形成的中心射流.在研究范围内,中心射流产生的二次液滴尺寸比皇冠形水花处生成的液滴尺寸小,中心射流破碎较早,所以二次液滴平均尺寸初始阶段增长较快,后期变化较慢,近似呈现线性增长.

双液滴垂直碰撞等温壁面过程分析

采用VOF方法模拟了多孔介质中垂直放置的2个正庚烷液滴垂直撞击壁面的过程,研究了韦伯数、雷诺数、壁面尺寸及圆心距等因素对双液滴碰壁现象的影响,分析了双液滴碰壁过程液滴碰壁、液滴间相互碰撞、相溶、铺展形成附壁液膜、形成皇冠形空间液膜及液膜破碎等过程的动力学特性.分别对比了只改变其中1个参数的情况下,皇冠型空间液膜高度和附壁液膜高度的变化.结果表明:在其他参数不变的情况下,分别增大We,Re,d0/H以及减小d0/s,飞溅的二次液滴数量明显增多,皇冠型空间液膜高度都有不同程度的增大,对附壁液膜高度也有不同程度的影响.

双液滴同时撞击液膜的动力学演变

为了考察液滴的撞击对液膜变形行为的影响规律,利用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法模拟双液滴同时撞击平面液膜后的流动过程,获得了不同水平间隔距离、不同撞击速度的两液滴撞击平面液膜后的演变过程特点,通过分析不同时刻压力场分布,探索了两液滴水平间隔距离、韦伯数和撞击速度对双液滴同时撞击液膜后流动过程、形态及对水花高度和中心射流高度的影响。结果表明,碰撞速度较大时的中心液膜射流高度大于碰撞速度较小时的;We数较大时中心射流顶端将产生二次液滴;液滴间距对撞击后初始时(3 ms之前)撞击点两侧的开始水花高度没有明显影响。

磁场对双液滴运动及加速聚结的影响分析

建立了油液中单个液滴在磁场作用下的力学模型,对双液滴在磁场作用下的移动聚结进行了理论分析;研究了油液中水平双液滴的间距随着磁感应强度和容器倾斜角度的变化规律。结果表明:随着磁感应强度的增大,双液滴的移动距离均增大并且双液滴中心间距为1cm,磁感应强度为400mT～500mT时,双液滴的移动距离最快;随着倾斜角度的增大,双液滴的移动距离呈现波浪变化趋势并有最佳的倾斜角度;容器倾斜一定角度时,液滴在重力分力作用下运动并切割磁感线产生洛伦兹力和电场力,加大了液滴的碰撞几率,从而促进了液滴的聚结。

高温气流中双液滴蒸发过程实验研究

建立了液滴蒸发的实验系统,采用悬挂液滴法对高温气流中单、双液滴的蒸发特性进行研究。实验结果表明:双液滴实验时的液滴蒸发过程与单液滴蒸发过程类似;液滴间相互作用使液滴周围蒸汽的浓度增大,气液传质浓度差减小,液滴与周围环境的传质速度降低,使蒸发速率减小;在纯辐射环境中液滴间相互作用对蒸发过程的影响较强,在辐射对流环境中液滴间相互作用对蒸发过程的影响较弱。

双液滴撞击固壁及液膜问题的三维SPH模拟

通过表面力张量的梯度离散合理引入表面张力效应,并以方形液滴的振荡问题为例,验证了表面张力模型的有效性。基于光滑粒子动力学(SPH)方法,对双液滴相继撞击固壁及液膜问题进行了三维数值模拟,并通过与实验结果的比较验证了方法的有效性,分析了液滴间垂直距离对流动过程的影响,精细地捕捉了液滴产生"皇冠"状水花并发生飞溅、不连续液面的流动过程。数值结果表明:SPH方法能够有效而准确地描述三维双液滴撞击固壁及液膜问题的自由面变化特征,SPH方法对处理自由表面大变形问题具有较好的优势。

不同润湿性表面固着双液滴蒸发过程LBM数值模拟

阵列液滴蒸发在蛋白质及核酸生物打印及胶体液滴蒸发自组装领域有重要应用。本文采用格子Boltzmann方法模拟了固着基板上双液滴的蒸发过程,研究了基板润湿性及液滴间距对双液滴蒸发过程的影响,模拟结果与文献中实验结果吻合良好。研究结果表明,双液滴在加热基板上蒸发时发生铺展合并现象是由基板润湿性及液滴间初始放置间距共同决定的。当出现合并现象时,液滴合并后以单液滴形态进行蒸发,其蒸发寿命远大于未发生合并现象时的液滴蒸发寿命。当未发生合并现象时,受液滴间有限空间抑制,液滴面向大空间一侧的蒸发速率大于液滴相邻侧;液滴为了维持球形形态,内部产生了向蒸发速率较快一侧输运流体的微流动,导致液滴左右两侧接触线收缩不对称,产生液滴中心外迁现象。与单液滴蒸发状态相比,成对液滴蒸发寿命比单液滴蒸发时延长,但小于发生合并后的蒸发寿命。论文通过大量模拟,获得了通过基板润湿性及液滴间距判断液滴蒸发过程是否合并的判据。

双液滴撞击液膜的流动过程研究

通过建立二维数值模型对双液滴同时撞击液膜的动力学特性进行研究。采用VOF方法捕捉气液两相交界面的演化过程。主要探究了双液滴撞击液膜的流动过程,分析了流动过程中速度分布和压力分布随时间的变化情况。结果表明,双液滴撞击液膜时,不仅存在自身撞击液膜的流动现象,液滴之间还会产生相互影响。

双液滴同时撞击粗糙多孔介质表面的数值模拟

为了探究双液滴同时撞击粗糙多孔介质表面的动态行为,课题组通过使用凹凸槽来代替表面粗糙度的方法,并用VOF模型追踪液滴形态变化,最后再利用PISO算法进行数值模拟计算。课题组分析了液滴特性和多孔介质特性对液滴铺展长度的影响,以及2液滴碰撞后对射流高度的影响。研究结果表明:随着韦伯数We的增加,液滴射流高度和铺展长度都增加,且在竖直和水平方向都会产生多个二次液滴飞溅;双液滴水平间距越大,液滴的铺展长度越大,射流液柱越低;平衡接触角越大,液滴铺展长度越小,边缘液体越易回缩;达西数Da越大,液滴的铺展半径减小,双液滴合并后形成的射流液柱越低;粗糙度越大,2液滴合并所需要的时间就越长,合并后形成的射流液柱高度变低,铺展长度越小。

双液滴连续倾斜撞击液膜界面演变特性的研究

本文采用CLSVOF方法对双液滴连续倾斜撞击薄液膜的过程进行了三维数值模拟,分析了撞击过程中界面演变的多种特征,包括一次水花和二次水花的形成、碰撞、融合和伸展,弹坑的形成、扩展和局部失稳。结果表明,界面演变过程中,气体空腔,液嵴和气谷等一些特殊形态特征会出现。此外,文中总结了弹坑在研究时间范围内的轮廓演变特征,定量分析了上游、下游和侧向三个方向上弹坑半径最大值随时间的变化,发现了液体动能在周向方向的分布规律。此研究对于喷雾冷却、冶金冶炼和航空航天等工业生产应用与升级有重要意义。

双液滴间距对低速撞击超疏水管壁的动态特性影响研究

液滴撞击壁面过程研究应用广泛。采用相界面追踪的(coupled level set and volume of fluid,CLSVOF)方法对双液滴连续撞击超疏水管面的动态过程进行了数值模拟研究,得到了双液滴撞击后的动态行为特征,并分析了两液滴的竖直间距对液滴撞击结果的影响。结果表明:大小相同的双液滴在低速(0.5 m/s)撞击接触角为160°的超疏水管壁时,液滴间距为d_p时发生同相撞击,液膜在铺展过程中产生中心断裂现象并卷吸气泡,其反弹高度较2d_p、3d_p时高;液滴间距为2d_p、3d_p时发生异相撞击,反弹过程中两液滴发生挤压形变,液滴间距较大时还会在反弹阶段出现液膜断裂现象。

VOF方法数值计算双液滴蒸发与燃烧

采用VOF两相数值方法建模前后移动的双正癸烷液滴在高温对流空气中的燃烧过程,分析了不同液滴中心间距对前后液滴燃烧速率的影响。结果表明:液滴蒸发可分为预热期和稳定蒸发期,在液滴生存期的大部分时间内,基本满足d^2定律,且存在一定变形;前后布置时,上游液滴的燃烧速率和单液滴燃烧速率相近,低雷诺数下,下游液滴的燃烧速率随液滴中心间距增大而增大,最终趋于单液滴的燃烧速率。

汽-水分离器内双液滴碰撞的数值模拟研究

采用流体体积函数(VOF)方法模拟压水堆汽-水分离器内等直径液滴对心碰撞,研究典型的聚合,低、中、高韦伯数(We)的反射分离过程。观察碰撞过程中液滴的形状,记录并分析动能和表面能相互转化以及能量耗散的进程。结果表明:在高We反射分离时,表面扩张的过程中,外部液体会脱离形成环状,液环在表面张力作用下收缩,与内部液体重新接触后使表面复杂剧烈的波动;这影响了分离过程以及子液滴的形成,导致Kim子液滴模型无法准确预测子液滴数目和直径。通过模拟不同We下的碰撞,得到等直径对心碰撞聚合与反射分离的临界We为15.6,并与3个预测模型进行了对比,Qian模型预测结果与模拟结果吻合良好。