圆柱壁面上液滴凝固相变对其运动行为的影响

采用CLSVOF耦合焓-多孔介质方法对单液滴撞击低温光滑圆柱壁面的现象进行数值模拟研究,揭示了壁面温度、壁面浸润性和液滴撞击速度等因素对液滴撞击低温光滑圆形壁面后动力学行为及相变特性的影响,研究中主要关注两个重要参数的变化规律:液膜高度变化和液滴对壁面的润湿特性。研究表明:提高壁面疏水性能可有效减小液滴碰撞圆柱的铺展润湿面积,从而减小冻结面积,降低结冰的危害程度;由于圆柱壁面的曲率作用,液滴撞击疏水圆柱壁面会出现液膜断裂,但在极低温度下,可抑制液膜在圆形壁面上的分裂,导致液膜在壁面上的铺展面积有所增加,防结冰性能下降。

撞击速度对连续液滴撞击热圆柱壁面局部传热特性影响的实验

借助高速摄像机捕获连续液滴撞击热圆柱壁面后的动力学行为,通过直接测试与数值计算方法相结合,获得了不同撞击速度下沿周向和轴向的局部对流传热特性。结果表明,当液滴撞击速度较小,液膜未发生飞溅时,由于圆柱面的各向异性,沿轴向的对流传热系数单调减小,而沿周向,对流传热系数先减小后略有增大;根据对流传热系数沿周向的变化,将圆周划分为撞击区域、热扩散区域和尾部脱离区域;增大液滴撞击速度主要提高撞击区域和热扩散区域的对流传热系数,而对尾部脱离区域对流传热系数的影响并不明显。当液滴撞击速度超过某一临界值(在本文的实验条件下约为1.53 m/s)时,液膜发生飞溅,此时继续增大撞击速度,壁温的降低不再明显。

液滴撞击圆柱壁面后液膜最大扩展长度的理论分析

液滴撞击圆柱壁面后,液膜的最大扩展长度是液滴动力学行为的重要方面之一。本文基于能量守恒原理,考虑液滴撞击圆柱壁面前后的动能、重力势能和表面自由能的变化以及液膜扩展过程中的黏性耗散能,建立理论分析模型,获得液膜在圆周方向和轴向上最大扩展长度之间的关系;结合相关文献由实验获得的液膜在轴向上最大扩展长度的经验关联式,进一步求解得出液膜在圆周方向上的最大扩展长度,最后将其计算值与实验测量值进行对比,发现其偏差在7%内,从而验证了模型的可靠性。

单向流作用下近壁面圆柱的流向振动

在单向流水槽中对近壁面圆柱体的流向振动进行了实验模拟。分析了圆柱流向振动位移时程曲线,探讨了圆柱振动频率随水流速度的变化特征。研究了圆柱振动幅值和频率的变化特性,结合圆柱尾迹涡的变化规律,分析了流向振动的起因。实验结果表明:随着流速的增加,圆柱流向振动经历了发生、发展和消失的变化过程,振动频率呈现出缓慢增长的趋势;在流向振动触发初期和后期衰退时,流向振动频率存在多值现象,频谱中呈现多个谱峰;圆柱流向振动所对应的约减速度范围明显小于横向涡激振动所对应的范围。

液滴撞击圆柱外表面蒸发换热的数值模拟

为进一步研究液滴撞击加热壁面过程中的破裂现象及不同参数对液滴蒸发换热的影响,采用CLSVOF方法和相变模型对液滴撞击加热圆柱外表面进行三维数值模拟.模拟过程中考虑了壁面温度、接触角以及撞击速度对液滴蒸发换热的影响.结果表明:液滴产生破裂的位置与液滴撞击壁面时的速度有关,当撞击速度较小时,破裂产生于液滴中心处;当撞击速度较大时,破裂处位于中间和边缘两部分液体之间.液滴撞击壁面后,在三相接触线和液滴破裂处附近产生了蒸汽旋涡,强化了液滴与壁面间的换热,增加了液滴侧的壁面热流密度.短时间内壁面温度对液滴蒸发量的影响较小,但撞击速度与接触角对其蒸发量的影响较大,且接触角越小,撞击速度越大,壁面平均热流密度越大,液滴蒸发量越大,有利于液滴与壁面间的换热.

小间隙比下近壁面圆柱绕流尾涡特性研究

该文采用DNS方法数值模拟了小间隙比(L/D≤0.5),即圆柱与下壁面距离L和圆柱直径D之间的比值不大于0.5时近壁面单圆柱绕流的流场,并采用瞬时涡度偏差(IVD)和拉格朗日平均涡度偏差(LAVD)方法对涡旋在脱落初期及壁面碰撞阶段的演化进行研究。研究表明,近壁面圆柱绕流脱落涡在初期会存在一段涡旋合并的过程,间隙比小于0.3时,合并发生在脱落涡之间;而间隙比介于0.3和0.5之间时,合并发生于脱落涡和壁面分离涡之间。同时利用从涡旋生成到发展成LAVD涡旋结构(稳定的卡门涡)的时间得到不同间隙比与不同雷诺数下涡旋合并持续的时间,并定量描述了该过程中涡旋内部流体与外部流体的物质交换。该文同时分析了脱落涡与壁面碰撞阶段的能量与动量输运问题,当碰撞发生时,碰撞区域摩擦力方向会发生改变,从而引起近壁涡旋运动特性改变,导致涡旋碰撞前后动能的损失,且其能量损失随间隙比增大而增大,在L/D=0.3、0.4和0.5时碰撞前后动能损失率分别为0.28、0.31和0.36。