乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展行为实验研究

为探究表面张力对液滴冲击过冷水平壁面铺展动力学行为的影响,搭建了可视化实验系统,探究了乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展动力学行为,分析了水平壁面过冷度对低表面张力液滴冲击铺展动力学行为的影响。实验中,采用亲水硅水平壁面及较小的冲击速度以观测乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展动力学行为。此外,还比较了不同的最大铺展因子和最大铺展时间的典型模型对乙醇液滴冲击过冷水平壁面铺展动力学因子的适用性。结果表明:乙醇液滴冲击过冷亲水水平壁面的铺展动力学行为分为飞溅、铺展、稳定3个阶段;最大铺展时间随水平壁面过冷度的增大而减小;水平壁面过冷度对最大铺展因子的影响是非单调的,在水平壁面过冷度较低时,最大内部铺展因子减小起主要作用,在水平壁面过冷度较高时,由于瑞利-泰勒不稳定性的增强,无量纲手指状突起增大起主要作用,二者共同作用造成了非单调变化;现有模型对于最大铺展时间的预测效果较好,相对平均偏差为6.05%,而对最大铺展因子的预测效果较差。

喷雾冷却中液滴冲击壁面的流动和换热

喷雾冷却中液滴冲击壁面的流动和换热强弱可用铺展系数和冷却效能的大小来反映。本文利用Volume-of- Fluid(VOF)方法,对初始直径在50～150μm,初始速度在1.0～10.0 m/s之间的单个液滴冲击恒温发热表面的情况进行了数值模拟。模拟结果表明,增加液滴的初始速度和直径会扩大液滴的铺展范围,即铺展系数增大;液滴的初始直径越小、速度越大,则其冷却效能越大,即冷却能力越强。定量结果对喷雾系统的设计具有重要意义。

液滴冲击不同浸润性壁面的数值分析

采用复合水平集和流体体积法并综合考虑传热和接触热阻的作用,建立了液滴碰撞水平壁面数值模型,并实验验证了模型的准确性。通过分析计算结果,探索了壁面浸润性对液滴撞壁过程的影响,揭示了液滴撞壁流动传热及飞溅机制,并建立了液滴飞溅临界条件理论判据。数值结果表明:液滴铺展系数的碰撞速度效应明显,碰撞速度越大,液滴的铺展系数越大,但液滴达到最大铺展系数所需无量纲时间与碰撞速度不相关;碰撞速度越大,液滴撞壁收缩幅度越大,壁面浸润性对铺展系数的影响越小。液体内部压力梯度是液滴铺展边缘产生射流和断裂的主要原因;Rayleigh-Plateau不稳定性和毛细波是射流颈部收缩和破碎飞溅的关键因素。

柴油液滴冲击液膜润湿壁面实验和数值模拟

从实验和数值模拟两方面研究了液滴碰撞液膜润湿壁面的过程。实验采用高速摄像仪观测并分析了液滴撞壁后的铺展、水花形成和液滴破碎飞溅现象,并定量获得了液滴的铺展系数和铺展速度随时间的变化规律。实验结果表明:液滴的铺展系数和铺展速度的碰撞速度效应明显;碰撞速度越大,液滴的铺展系数越大;液滴撞壁后的铺展速度迅速减小,碰撞速度越大铺展速度越大。数值模拟采用流体体积法,综合考虑液滴与壁面间传热及接触热阻的作用,建立了液滴撞壁数值模型。该模型模拟结果和实验数据吻合较好,证明了数值模型的准确性。数值结果表明:液体内部的压力梯度是液滴铺展、产生皇冠水花和以及液滴破碎飞溅的主要原因;毛细波是水花颈部收缩和液滴破碎飞溅的关键因素。

两相格子Boltzmann方法模拟大密度比下双液滴冲击液膜的流动过程

基于两相格子Boltzmann模型,对大密度比下有一定水平间距的双液滴冲击液膜的流动过程进行了仿真,模拟了不同液滴初始间距和不同雷诺数下液滴冲击液膜的动态过程,重点分析了不同液滴初始间距和雷诺数下产生不同冲击和溅射现象的原因,以及不同参数对冲击和溅射行为的影响.总结了中心位置水花溅射高度随时间的变化规律,并论述了冲击和溅射过程中的内在作用机理.结果表明:在一定范围内,初始间距和雷诺数越大,中心位置水花溅射高度上升越快;随着雷诺数的增大,冲击、碰撞的程度越剧烈,中心位置水花顶端有液滴飞出.

基于MEMS的微介电液滴冲击冷却系统

热控制是集成电路设计中需要解决的关键问题。随着特征尺寸以及封装密度的增加,目前的封装冷却技术将很快不能适应。介绍了基于MEMS的微介电液滴冲击冷却系统,用于集成芯片的冷却,并提出了相应的实验平台。

两相格子Boltzmann方法的液滴冲击流动液膜数值模拟

基于最新的两相格子Boltzmann模型(Lee模型)在数值方法上进行了改进,进一步提高了模型在大密度比下的数值稳定性。基于改进后的模型首先研究了二维液滴冲击静止液膜,计算得到的溅射根部铺展半径与实验结论一致吻合,从而验证了改进后模型的正确性。进一步数值模拟了液滴冲击流动液膜的溅射过程,考虑了不同的液膜液滴速度比和液膜相对厚度对流动过程的影响。计算结果与冲击静止液膜的计算结果和实验结论进行了对比,总结了溅射过程中溅射铺展半径和溅射高度随时间的变化规律,论述了流动现象产生的内在机理。

喷雾冷却液滴冲击壁面过程的数值模拟及分析

以经典流体力学中的自由射流湍流理论和提出的描述喷雾流体的流动情况为基础,从理论分析和数值模拟两个方面,研究了喷雾冷却的过程,并分别进行了液滴冲击物理模型和喷嘴射流模型的模拟,对高温壁面以及空气的降温有着非常重要的意义,以达到强化传热的目的。

黏性液滴冲击粉床表面的实验研究

本论文采用实验和理论相结合的方法研究了不同黏度液滴冲击粉床的动力学。研究中采用无量纲参数Oh,We,Re和根据衬底形变获得的修正系数We^(*)、Re^(*)来分析液滴的冲击现象。在以往的研究中,不同种类的液滴冲击不同的粉床会得出不同的关于最大铺展系数的比例关系;本文则考虑液滴冲击粉床表面时基底的变形对液滴铺展的影响,采用修正的无量纲参数,并分别获取了描述液滴冲击粉床的关于铺展时间和最大铺展系数的通用公式。

液滴冲击自由液面的SPH法数值模拟

液滴冲击液面是一个在自然界及工业生产中极其普遍的现象,同时又是一个极其复杂的强非线性瞬态冲击与自由表面流动问题.本文在二维黏性不可压缩N-S方程的基础上,采用光滑粒子流体动力学方法对液滴(水珠)以一定的初速度冲击盛水容器内液面问题进行了数值模拟研究.研究过程中通过搜索自由表面粒子,在表面粒子之间,考虑了表面张力的作用;运用人工黏性解决了初始冲击效应;同时引入边壁虚粒子和镜像虚粒子处理边界条件,很好地解决了粒子法的边界缺陷问题,并消除了容器角落处实粒子的不稳定现象.计算结果得到了粒子分布图、流场图,压强图及不同粒子位移和速度变化曲线,通过将模拟结果与实验照片进行比较说明了模拟的有效性,最后还定性比较了分别采用Level-Set法、BEM法及SPH法时的液面波动曲线变化情况.研究结果表明:液滴冲击液面时会出现液体飞溅、不连续液面以及自由液面大幅晃荡等强非线性现象;冲击过程中液体粒子运动呈现震荡特性;SPH法对处理自由表面大变形问题具有一定的优势.

液滴冲击流动液膜的格子Boltzmann模拟

采用单相格子Boltzmann方法模拟了二维液滴冲击流动液膜的含自由面的流动过程。由定义的质量与密度的比例系数来追踪气液自由面的变化。表面张力通过计算界面格点处作用在流体上的汽液相间作用力加入到模型中。数值模拟了速度比(液膜流动速度与液滴撞击速度的比值)和液膜相对厚度(液膜实际厚度与液滴直径的比值)不同时,液滴冲击流动液膜的过程。与液滴冲击静止液膜时的计算结果和理论分析结果进行对比,分析了液滴冲击流动液膜后产生的流动现象及其内在机理,产生的水花的铺展半径和溅起高度随时间的变化规律,并讨论了飞溅产生条件。

动态接触角对微米液滴冲击平板的影响

针对喷雾冷却,应用VOF(volume of fluid)模型,使用静态接触角、实验动态接触角、Kistler模型和Blake模型4种方法来处理动态接触角,模拟了单个μm量级的液滴冲击未加热平板的流动情况,并分析了液滴参数对铺展的影响。结果发现:采用Blake模型模拟的结果与已有的实验结果符合得最好;模拟中根据铺展速度直接计算出并作为条件赋值的角度并不一定等于视在接触角;液滴自触壁起依次受惯性力、粘性力和表面张力主导;We数越大,最大铺展直径越大,惯性力起主导作用的时间越长,液滴达到最大铺展、发生回弹的时间越晚,液滴铺展的特征时间越小于液滴演化的特征时间;粘性力对小液滴所起的作用较大,表面张力对大液滴所起的作用较大;μm量级的液滴反弹并不剧烈,与mm量级的液滴有很大区别。

液滴冲击固体表面的光滑粒子动力学模拟

液滴冲击固体表面的现象广泛地存在于自然界和工业生产中,深入研究液滴冲击固体表面现象对环境工程、微纳米工程以及医药工程等领域有着十分重要的指导作用。该文采用光滑粒子动力学方法(SPH)对液滴冲击固体表面的现象进行了数值模拟。SPH方法是一种纯拉格朗日形式的无网格粒子方法,可以很容易的处理大变形、可变形边界、追踪自由表面以及运动界面。为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性,该文在传统SPH方法的基础上对粒子方法中的核梯度进行了修正,采用粒子间相互作用力的形式来模拟表面张力,应用改进的SPH方法对液滴冲击固体表面进行了数值模拟。计算结果表明,改进的SPH方法能够精细地描述液滴冲击固体表面所产生的铺展和飞溅等动力学特性,得到了稳定精确的结果,数值模拟结果与实验观察结果吻合较好。

冲击液滴的泡状沸腾换热

自七十年代以来，液滴冲击冷却的研究受到广泛的关注．对于单个液滴的冲击换热已进行了很多的分析．但由于冲击液滴流动复杂且过程短暂，所以至今换热机理尚不清楚．本文着重研究冲击冷却效果最好的液滴泡状沸腾换热工况．

多液滴同步冲击液膜时中间薄膜射流形成机理与动力学特征

采用耦合水平集-流体体积(coupled level set and volume of fluid)方法结合高斯随机分布扰动对多液滴同步冲击平面液膜飞溅过程进行了三维数值模拟,通过分析压力、速度等细微场量分布,揭示了中间薄膜射流的生成、破碎以及后期柱状射流的形成机理。此外,讨论了Weber数、液膜厚度、液滴间距对薄膜射流高度的作用规律。结果表明,在液相加入高斯分布扰动后可以充分反映液滴冲击飞溅特征;相邻液滴颈部区域射流接触后,接触区压力梯度骤然升高,与流体运动间断共同作用下形成向上运动的薄膜射流,随后在流体不稳定性与气相涡流作用下发生破碎;薄膜射流高度随Weber数和液膜厚度升高而增大,液滴间距减小时,射流高度增大。

纳秒激光制备的超疏水表面及其液滴冲击性能

采用纳秒激光在金属表面低成本地制备微纳结构,再对其进行改性就可以获得水黏附力具有差异的超疏水表面,但目前对这些超疏水表面液滴冲击性能的研究还尚少,鉴于此,研究了不同脉宽纳秒激光制备的典型超疏水表面的液滴冲击性能。结果表明:采用不同脉宽纳秒激光制备的超疏水表面在液滴冲击时都具有极短的固液接触时间;在相同的参数下,窄脉宽激光制备的超疏水表面具有更高的微米结构,导致液滴冲击时的固液黏附力增大,从而具有相对较长的固液接触时间。

基于CIP方法的液滴冲击薄膜数值模拟

该文基于自主研发的气-液二相流数学模型开展了液滴冲击液膜的数值模拟,采用紧致插值曲线(CIP;constrained interpolation profile)方法离散Naiver-Stokes方程,完成速度-压力场的求解,并分析了速度场、压力场随时间变化的过程。采用VOF/WLIC(volume of fluid/weighed line interface calculation)方法重构了自由面,并与SOLA-VOF方法及CIP方法得到的自由面进行比较,验证VOF/WLIC方法对于液滴冲击液膜问题的适用性。通过调整气、液二相流的黏度比值,分析比较了不同黏度比值对模拟结果的影响。结果表明,CIP方法可精准重现液滴冲击过程中的复杂自由面流动现象。

注压成型纳米结构PP/POE共混物表面的液滴低温冲击行为

以制备的阳极氧化不锈钢模板为模具嵌件,采用注射压缩成型(ICM)工艺快速成型表面具有纳米丝结构的柔性聚丙烯/乙烯-辛烯共聚物(PP/POE,PP与POE质量比为3:1)共混物复制物和准刚性PP复制物,研究常温液滴冲击-10℃复制物表面的动态行为.结果表明,致密的纳米丝使复制物表面呈现超疏水、极低黏附的润湿状态.在低冲击速度范围内,共混物复制物表面上液滴的接触时间比PP复制物上的短,可归因于液滴铺展阶段柔性纳米丝储存的弹性势能在回缩阶段转换为液滴的动能;在高冲击速度范围内,共混物复制物基板和纳米丝储存的弹性势能被转换为液滴的动能,进一步缩短了液滴的接触时间.此结果表明,共混物复制物的柔性和表面超疏水性使其具有优异的防冻黏性能.共混物复制物表面上水滴(50μL)的结冰时间得到明显延长、冰黏附强度明显降低.研究结果表明,可采用ICM快速成型具有优异防冻黏和防冰性能的柔性超疏水高分子材料表面.

液滴撞击疏液表面的实验研究

本文首先通过系统实验研究了不同粘性液滴以不同速度撞击疏液表面上的撞击现象及过程,揭示了液滴粘度、撞击速度对液滴铺展、回缩、回弹以及飞溅等实验现象的影响,并给予相应的机理解释。其次,基于实验结果,本文定性地探讨了液滴的最大铺展系数(βmax)与撞击速度和液滴粘度之间的关系,研究发现βmax随撞击速度的增加而增大,随液体粘度的增加而减小。

核电厂二回路汽水管道局部减薄管理的挑战和应对

工程经验反馈及有关研究表明,轻水反应堆核电厂二回路汽水管道在管道内流体长期作用下,可能会发生流动加速腐蚀、液滴冲击和汽蚀等老化,从而导致管道母材或焊缝发生局部减薄的老化劣化现象。如不进行有效的预防性检测和系统的主动管理,可能会导致管道局部泄漏或破裂。扼要介绍上述老化机理、老化效应、易发生部位、影响因素以及国内外的主要管理方法和实践。重点探讨了检测方法、检测部位、标准化等管理和应对措施的现状、挑战和发展趋势。