Marangoni流动对液滴撞击过热液池影响的数值模拟

对液滴撞击过热液池的动态过程进行数值模拟,着重关注由液池表面不均匀温度引起的马兰戈尼效应(Marangoni effect)对液池内的流场和温度场演化过程的影响。当乙醇液滴落入过热油池后,液池表面温度随着液滴的靠近而迅速下降,从而在径向上产生很大的温度梯度。由此引发的沿径向向内的Marangoni力会与沿径向向外的蒸汽剪切应力相抗衡,进而在蒸汽层最薄的位置形成一个“热射流”结构。随着时间的推进,占据主导地位的Marangoni力逐渐将“热射流”向内推动,直至在液滴下方形成下沉羽流。此外,随着液池黏度的增加,液池内由表面蒸汽应力引起的流动将被抑制,进而导致界面附近的换热效率大幅下降。

Oldroyd-B黏弹性液滴撞击弯曲壁面的数值研究

液滴撞击弯曲壁面现象广泛存在于冶金、化工和航空航天等领域,在某些场景下,液滴混入高分子聚合物后会表现黏弹性特性,为了进一步认识液滴黏弹性对撞击弯曲壁面的影响,对黏弹性液滴撞击弯曲壁面的过程进行数值模拟研究.研究基于相场方法和格子玻尔兹曼(LBM)方法,采用应力场分布函数求解Oldroyd-B本构方程,并施加适用于弯曲壁面的接触角模型,发展了固-液-气三相黏弹性流体模拟方法,对Oldroyd-B黏弹性液滴撞击弯曲壁面问题进行数值模拟,主要研究了黏度比β、韦伯数We和壁面接触角θ对撞击过程的影响.结果表明:撞击过程主要包括4个阶段:运动阶段、铺展阶段、拉伸阶段和撕裂阶段.黏度比β越低,液滴在铺展拉伸阶段动能衰减越慢,转化的表面能更多,但更早进入撕裂阶段,液滴撞击弯曲壁面后,更容易脱离壁面.韦伯数We较小时,液滴主要在壁面处附着或反弹;We较大时,液滴会撕裂并脱离壁面,We越大,液滴在铺展拉伸阶段动能衰减越快,进入撕裂阶段更慢.壁面的亲疏水性会影响液滴最终的状态,疏水性越高,对铺展阶段的阻碍作用越强,液滴越容易发生撕裂和脱离.

液滴撞击柔性基底研究进展

液滴撞击固体基底现象广泛存在于自然界、日常生活及工业生产中.在多数液滴撞击场景中,固体基底可以近似地视为理想刚性基底.然而在一些场景中,具有较小杨氏模量或者几何结构为薄壁或细长类的固体基底在受到液滴撞击后会产生明显的变形,而固体基底的形变反过来又会影响液滴的动力学行为.相比于刚性基底情况,液滴与柔性基底的耦合作用可能会引发新的动力学现象和机制.因此,柔性基底液滴撞击动力学的研究很有意义,也成为一些学者当前关注的研究焦点之一.根据几何结构的特点,柔性基底可以分为柔性体、柔性面和柔性杆3种类型.文章据此分类介绍与这3类柔性基底相关的液滴撞击动力学的研究进展.柔性基底的可变形性是导致其液滴动力学与刚性基底液滴动力学存在差异的根本原因.现有的研究表明,基底柔性对液滴撞击的接触时间、最大铺展因子、气泡捕获、回弹和溅射等方面均存在着影响,其中关于接触时间及溅射方面的结论可能为制造防水、抗冰和防溅射材料提供新思路.

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。

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。

压电喷墨液滴撞击光滑壁面铺展行为的数值研究

目的 研究典型流体相关无量纲参数对墨滴在光滑承印物表面铺展行为的影响,确定各无量纲参数对铺展直径、铺展因子和稳定铺展时间的影响规律。方法 利用Ansys软件,建立墨滴撞击光滑壁面的数值计算模型,采用VOF模型追踪液滴形状,采用PISO算法计算压力速度耦合。引入韦伯数、雷诺数、奥内佐格数来分析墨滴撞击光滑承印物表面的铺展行为。结果 计算获得不同韦伯数、雷诺数、奥内佐格数下墨滴的最大铺展直径、最终平衡铺展直径、最大铺展因子和最终铺展时间。结论 韦伯数和雷诺数对墨滴最大铺展直径的影响较大,对最终平衡直径的影响较小。韦伯数或雷诺数越小,回缩阶段越短,越快达到平衡。韦伯数、雷诺数与最大铺展因子呈明显正相关。奥内佐格数对墨滴的最大铺展直径、最终平衡直径的影响都较小。奥内佐格数越小,回缩阶段越短,越快达到平衡,奥内佐格数与液滴最大铺展因子呈不明显的正相关性。

液滴撞击固体表面研究进展

研究液滴撞击固体表面对工农业生产等领域具有重要意义。针对液滴撞击固体表面产生的动态行为不同的问题,首先总结了液滴撞击固体表面的最大铺展系数和接触时间的预测公式,这对传热和防结冰等应用具有重要意义;然后,综述了液滴撞击固体表面的影响因素,最后介绍了液滴撞击不同固体表面在油水分离、防结冰、自清洁等方面的实际应用。指出了液滴撞击固体表面的未来研究方向。

黏性流体液滴撞击超疏水壁面奇异射流的试验与模拟

液滴在特定条件下撞击超疏水壁面会形成奇异射流现象,该现象产生机理及调控机理有待进一步研究.基于高速显微数码摄像技术,研究不同黏度(0.9~27.7 mPa.s)牛顿流体液滴撞击超疏水壁面(静态接触角为158°)的动态行为,归纳奇异射流发生的相图.通过水平集相界面追踪法,建立液滴撞击超疏水壁面的有限元数值模型.研究结果表明:对于中低黏度(甘油质量分数小于67 wt.%)的液滴,奇异射流现象发生在特定的We数区间.随着液滴黏度的增大,发生奇异射流的We数阈值提高.当液滴的黏度大于14.2 mPa·s后,即使继续提高液滴撞击速度(We>100),奇异射流现象不再出现.奇异射流的产生与回缩阶段液滴内空腔的形成有关,且发生射流时空腔底部有很大的压力集中区.黏度的改变会影响液滴内空腔底部气液交界处的界面形态.随着黏度增加,空腔底部气液相界面将由上凸形转变为下凹形,无法形成向上的射流.奇异射流主要发生于Re在700~1000的区域,且在该区间内奇异射流发生的We数区域较宽,可为液滴动力学行为调控提供理论依据.

射频等离子体改性PTFE表面液滴撞击接触起电对润湿性的影响

液滴撞击固体表面是自然界的常见现象,研究超疏水表面的液滴撞击对其润湿性的影响,对于超疏水性材料的潜在应用具有重要的科学意义。采用3、10、20 min氧等离子体处理(OPT)和1 min八氟环丁烷等离子体聚合沉积(PPD)的等离子体方法改性聚四氟乙烯(PTFE)表面,获得具有不同尺寸和间距的微/纳米锥的超疏水PTFE表面,研究射频等离子体改性PTFE表面的液滴静态接触角、滚动角及液滴撞击动力学行为,分析在不同个数液滴撞击后PTFE表面的润湿性和液滴撞击行为变化,确定PTFE表面液滴撞击起电效应的影响机制。结果表明:通过1~9个液滴撞击后,PTFE表面的静态接触角随撞击液滴数量增加而减小,导致静态接触角低于150°;液滴滚动角随撞击液滴数量增加而增大,造成液滴滚动角高于10°。撞击液滴的接触时间随撞击液滴数量增加而增大,回弹系数随撞击液滴数量增加而减小。随撞击液滴数量增加,回弹液滴的正电荷和PTFE表面的负电压增大,PTFE表面的负电荷对液滴产生强吸引作用,导致低粘附超疏水性被破坏。3 min OPT和1 min PPD改性PTFE表面的纳米锥间距小,密度大,表面负电荷量增加明显,造成PTFE表面的疏水性降低的程度最显著。研究结果可为改善超疏水稳定性的表面织构设计提供理论依据。

液滴撞击移动及旋转表面过程研究综述

基于现有液滴撞击移动及旋转表面的研究,简要阐述液滴撞击移动表面及旋转表面的现象;将移动表面分为平移固体表面、旋转固体表面和移动液膜3种形式,从实验系统、模型建立和数值模拟3个方向对现有的液滴撞击移动表面研究进行总结.液滴撞击移动及旋转表面的研究已有一定基础,而高撞击速度、微小液滴、旋转表面等情况的研究较为空白,旋转表面波推进等理论和实验结果也缺乏数值模拟的补充.基于上述情况,提出液滴撞击移动表面及旋转表面的研究展望.

非等温粗糙表面液滴撞击特性试验与仿真研究

非等温固体表面液滴碰撞现象广泛存在于航空航天领域机械零部件中,液滴碰撞动力学行为的研究对提升机械零部件传热换热以及润滑性能具有重要意义.为获得液滴在非等温粗糙表面的撞击特性,研究了硅油在金属表面撞击、铺展和回缩的动力学行为,并着重分析了硅油黏度、撞击速度、油滴初始直径、金属表面粗糙度及温度对硅油撞击特性的影响.结果表明,在等温表面,液滴最大铺展直径与撞击速度、基体表面温度及液滴初始直径正相关,与基体表面粗糙度、硅油黏度负相关;当表面粗糙度介于6.3~25μm时,其对液滴最大铺展直径影响较小;在非等温表面,液滴回缩过程中少量液体残留并形成尾迹,且残留尾迹随基体温度升高而愈发明显;随后数值模拟了硅油在非等温粗糙表面的碰撞过程,并揭示了基体温度和表面粗糙度的影响机制.本文中研究成果为理解非等温粗糙金属表面液滴的撞击行为提供了丰富的理论和试验依据.

液滴撞击不同曲率过冷波纹面结冰动力学行为及机理研究

耦合CLSVOF和焓-多孔介质方法参数化分析了可变Weber数和壁面过冷度对单液滴撞击不同曲率过冷光滑曲面波纹基底的结冰行为。聚焦于液滴粒径固定时,不同曲率单列波纹板和复列波纹板引起的液滴收缩、振荡和破碎的动力学行为差异的作用机理,探究表面过冷度和液滴初速度对结冰相界面推移速率的影响规律。模拟结果表明,液滴撞击结冰动力学是流场紊乱特性和换热边界时变特征耦合作用的结果。高Weber数撞击导致液滴铺展前缘的Rayleigh-Taylor不稳定波加速液滴结冰,后期液滴破碎引起的界面能转化使结冰速率降低。过冷度的增加可阻碍液膜断裂和减少液滴的周向毛细爬升面积。研究结果对微观液滴毛细结冰动力学和防结冰工程化应用提供理论参考。

液滴撞击冷超疏水表面动力学特性分析

采用氟化物改性和喷涂法制备出一种具有边缘效应抗冷凝失效性能的宏观蜂窝结构化超疏水涂层,通过高速摄影和图像处理方法,研究液滴撞击普通光滑铝表面、普通超疏水表面和蜂窝状结构化超疏水表面的撞击过程,获得了接触时间、铺展系数的关系。引入分形维数对凝结液滴生长形貌进行分析,研究结果表明,随着凝结量的增加,超疏水表面形貌越复杂,分形维数越高,液滴撞击后纵向伸展长度越小,液滴最终粘附在超疏水表面。而具有边缘效应的宏观蜂窝结构具有一定的抗冷凝失效性能,并且加速液滴的分裂和在表面的脱离。

超疏水结构表面液滴撞击行为研究进展

固体表面的液滴撞击是实际应用中遇到的许多现象的重要部分,如微流控设备、冷却喷雾、喷墨打印、农药喷洒等。此外,通过超疏水结构表面修饰应用设备的功能表面能够显著提高设备的防污、抗粘附等功能,但是这种基于微纳结构的功能性表面抵抗液滴钉扎效应的能力很大程度限制了其应用。因此,研究液滴撞击超疏水表面行为对提高设备的抗腐蚀、自清洁等性能具有重要意义。首先介绍了非均匀表面的润湿理论,然后总结了近年来针对超疏水表面静态和动态液滴润湿行为的研究成果,着重阐述了结构润湿性、物理形貌及冲击速度对液滴接触时间和最大铺展系数的重要影响,介绍了液滴最大铺展系数预测模型的研究进展,进而指出了目前研究的不足之处。最后,对液滴回弹机制和最大铺展系数的研究进展进行了展望。

液滴撞击多孔表面动力学特性研究进展

液滴与多孔表面碰撞时,多孔表面的孔隙所引起的毛细力作用将对液滴的动力学行为产生一定的影响。研究液滴撞击多孔表面后的铺展、渗透、蒸发、传热等问题对调控多孔表面液滴的铺展以满足不同领域的应用需求具有重要的意义。总结归纳了液滴撞击多孔表面的理论、数值和实验方面的研究方法,对液滴撞击速度、液滴直径、孔隙率、孔径、韦伯数、黏度和表面张力等主要因素对液滴撞击动力学特性的影响规律进行综述,提出液滴在多孔表面的研究可从更加符合液滴撞击多孔介质的理论模型建立,新型多孔介质内部液滴特性及热物理参数测试技术等方面进行。

TC4微织构表面液滴撞击特性实验研究

为了探究不同扫描速度下激光刻蚀钛合金微织构超疏水表面的液滴撞击特性,在工业用材TC4(Ti 6Al4V)表面进行一步成型激光刻蚀后,利用扫描电子显微镜和共聚焦电子显微镜对表面形貌进行观测,利用接触角测量仪测量表面的润湿性,利用高速摄像机实验平台捕捉液滴撞击过程。结果表明,受表面微织构和表面化学性能的共同影响,扫描速度为200mm·s^(-1)的工况下,表面的疏水性能最佳;疏水性能好的表面由于黏性耗散低,液滴的最大铺展系数较大。

液滴撞击不同浸润性壁面动态过程的数值模拟

采用VOF方法模拟了液滴以相同速度撞击到接触角分别为63°、90°、118°和160°的固体壁面上的形态演变过程。结果表明:固壁的亲憎水性对液滴撞击表面后形态的演化有较大影响,亲水壁面有利于液滴的铺展,在接触角为90°的壁面上液滴部分反弹,而当接触角为160°时,液滴完全反弹;当三相接触线开始回缩时,中心液体的表层部分在惯性力的作用下继续向铺展的液滴边缘聚集,导致近中心处液膜逐渐减薄至断裂,最终形成边缘较厚的液环;同时,液滴最大铺展系数随壁面接触角的增大而减小,达到最大铺展系数的时间也相应缩短。

速度对液滴撞击超疏水壁面行为特性的影响

通过可视化实验研究了直径为2.58mm的液滴在不同速度下撞击静态接触角为156°超疏水壁面后的运动特性,其液滴Weber数在8～310之间。实验利用光学原理在同一画面上同时记录了液滴撞击壁面过程的正面及底面图像。实验结果表明:液滴撞击壁面的速度对液滴的前进角、后退角,三相接触线的速度以及液滴反弹后的空中运动特性都有较大的影响;液滴高速撞击超疏水壁面后会产生明显的液指及多组卫星液滴,回缩阶段相邻的液指发生聚并直至液滴完全回缩。

液滴撞击超疏水壁面反弹及破碎行为研究

液滴撞击壁面时,壁面亲水性对液滴撞击壁面后的变化历程具有重要的影响。利用相界面追踪的复合Level Set-VOF方法对液滴撞击超疏水壁面的运动进行了研究。研究结果表明,撞击速度较小时,液滴撞壁后发生反弹;撞击速度较大时,液滴撞壁后会发生破碎现象;初始粒径的增大和表面张力的减小,有利于液滴撞壁后产生铺展破碎现象;撞击角度对撞壁后的液滴行为具有较大的影响。通过数值模拟,给出了一定条件下液滴垂直及倾斜撞击超疏水壁面反弹及破碎的临界条件。

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。