椭圆形变微小水滴撞击深水液池运动大型气泡夹带机理

在微小水滴撞击深水液池运动中,水滴在下降过程中产生的外形振荡对后续空腔产生及气泡夹带有极大影响.因此,本文假定5种不同宽高比(AR)的微小变形水滴,采用自适应网格技术和体积函数方法对其运动过程进行数值模拟,并详细探究不同撞击速度和水滴形变对撞击后空腔变形坍缩过程、涡环的发展以及气泡夹带的影响.研究结果表明,在较高撞击速度下(Fr=112.5, We=145, Re=1740, V_i=6 m/s), AR=1.33下的长椭圆形变水滴与液池聚合并产生大型气泡夹带.大型气泡截留过程主要由水滴撞击时颈部自由面下产生的涡环控制,涡环裹挟自由界面形成滚动射流,最终射流接触夹带大型气泡.在气泡截留后期,腔内气旋推动侧壁向外拓展,有效增大了气泡体积.在撞击初期阶段,液滴形状越扁,水滴与液池颈部射流曲率越大,生成涡环强度越大.但扁椭圆水滴生成涡环距离自由面过近,界面的早期拉动破坏了涡环强度,因此涡环衰减也相对较快.

微小水滴撞击深水液池空腔运动的数值模拟及机理研究

为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理,采用自适应网格技术和流体体积方法对撞击速度为2.5—6.5 m/s的微小水滴撞击深水液池的运动进行数值模拟研究,考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波传播、空腔变形规律以及气泡截留过程,并深入探究空腔运动的动力学机制.研究结果表明,不同撞击速度下,在忽略毛细波作用、空腔深度h∈(D, h_(max))的前提下,空腔深度随时间的成长仍满足t∝h^(5/2)的关系;液滴撞击产生的空腔形状有U形和半球形两种,前者一般向V形转变,后者空腔底部会变为圆柱形,产生细长射流,并有可能发生气泡截留现象;在撞击速度较低时,低压区首先在空腔侧壁与底部交界处产生,随后在靠近液面以及空腔底部靠近中心区域各产生一个较大的涡环;在撞击速度较高,产生细长射流时,涡环的生成被抑制,低压区首先在波浪底部与侧壁上交界处产生,随后空腔底部变为圆柱状,空腔侧壁首先坍塌形成气泡截留.