Oldroyd-B黏弹性液滴弹跳行为的改进SPH模拟

基于光滑粒子流体动力学SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法对Oldroyd-B黏弹性液滴撞击固壁面产生的弹跳行为进行了模拟与分析。首先,为了解决SPH模拟黏弹性自由表面流出现的张力不稳定性问题,联合粒子迁移技术提出了一种改进SPH方法。然后,对Oldroyd-B黏弹性液滴撞击固壁面产生的铺展行为进行了改进SPH模拟,与文献结果的比较验证了方法的有效性。最后,通过降低Reynolds数捕捉到了液滴的弹跳行为;并在此基础上,分析了液滴黏度比、Weissenberg数和Reynolds数对液滴弹跳行为的影响。结果表明,改进SPH方法可有效地模拟黏弹性自由表面流问题;液滴黏度比、Weissenberg数和Reynolds数对液滴最大回弹高度均有显著的影响。

Oldroyd-B黏弹性液滴碰撞过程的数值模拟

复杂的流变特性使凝胶推进剂的雾化过程存在一定困难,这制约了它的发展.聚合物胶凝剂的加入使凝胶推进剂具有黏弹性,从而在雾化时会产生黏弹性液滴,因此为了进一步认识凝胶推进剂的雾化机理、提高凝胶推进剂的雾化性能,对黏弹性液滴的碰撞行为进行数值模拟研究.针对凝胶推进剂雾化过程中出现的液滴撞击现象,考虑流体具有的黏弹性效应,采用流体体积法(VOF)、自适应网格细化技术(AMR)和对数构象张量方法相结合,使用Oldroyd-B本构模型描述液滴的黏弹性,对两个相等体积的黏弹性液滴的碰撞过程进行直接数值模拟,主要关注黏弹性液滴的正撞过程,研究了松弛时间、黏度比、韦伯数对液滴正撞的影响,并对不同参数下黏弹性液滴的撞击过程进行能量计算,另外观察了不同偏心度下的液滴碰撞行为.通过改变撞击速度,得到了合并和反弹的碰撞结果,结果表明增大松弛时间有利于合并液滴的挤压和回缩程度,并且延迟液滴的变形过程,这与牛顿流体得到的结果不同.增大黏度比会阻碍合并液滴的振荡行为,碰撞的偏心程度较大时会出现拉伸旋转,偏心度越大时拉伸距离越长,偏心度越小时动能耗散的速率越快,并且耗散的动能越多.

黏弹性液滴撞击超疏水表面的反弹行为研究

水滴撞击超疏水表面后通常会发生完全反弹.大量研究表明,通过在液滴中添加少量聚合物可有效抑制水滴的撞击反弹行为.尽管该方法已被广泛应用于工农业生产中,但对黏弹性液滴撞击反弹行为的抑制机理认识仍不够全面.采用高速摄影技术,开展了聚氧化乙烯(PEO)水溶液液滴撞击不同微纳复合结构超疏水表面的实验研究.研究结果表明:添加高分子可增强流体的黏弹性及其与表面的黏附作用,因而完全反弹行为仅发生在低PEO浓度液滴的撞击实验中,且随着超疏水表面微结构间距的增大,发生完全反弹的上限和下限韦伯数阈值均减小.在低韦伯数反弹区域,撞击液滴始终处在微结构顶部,因而接触时间随韦伯数的增加而减小,这与平整超疏水表面上的现象相似;在高韦伯数反弹区域,液体会部分浸润微结构表面,因而接触时间将随韦伯数的增加而增加.此外,所有反弹液滴的恢复系数随韦伯数的增加呈线性下降趋势,且下降速率随微结构间距的增大而减缓.基于界面力学和能量转换分析,对实验中观测到的黏弹性液滴撞击反弹动力学行为给予了定性解释.

三维PTT黏弹性液滴撞击固壁面问题的改进SPH模拟

基于光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,对三维Phan-ThienTanner(PTT)黏弹性液滴撞击固壁面问题进行了数值模拟.为了有效地防止粒子穿透固壁,且缩减三维数值模拟所消耗的计算时间,提出了一种适合三维数值模拟的改进固壁边界处理方法.为了消除张力不稳定性问题,采用一种简化的人工应力技术.应用改进SPH方法对三维PTT黏弹性液滴撞击固壁面问题进行了数值模拟,精细地捕捉了液滴在不同时刻的自由面,讨论了PTT黏弹性液滴不同于Newton(牛顿)液滴的流动特征,分析了PTT拉伸参数对液滴宽度、高度和弹性收缩比等的影响.模拟结果表明,改进SPH方法能够有效而准确地描述三维PTT黏弹性液滴撞击固壁面问题的复杂流变特性和自由面变化特征.

十字聚焦型微通道内弹状液滴在黏弹性流体中的生成与尺寸预测

利用高速摄像仪对十字聚焦微通道内液滴在黏弹性流体中的生成过程进行了实验研究。微通道截面为600μm×600μm的正方形结构,采用硅油作为分散相,含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的聚环氧乙烷(PEO)水溶液(质量分数分别为0.1%,0.3%,0.6%)为连续相。实验观察到了弹状流、滴状流和喷射流3种流型。对弹状流型下液滴生成过程的颈部动力学进行了研究,考察了两相流率、连续相毛细数及弹性数对液滴尺寸的影响。结果表明:弹状液滴尺寸随连续相流率、毛细数及弹性数的增加而减小,随分散相流率的增加而增加,连续相弹性对液滴尺寸的影响相对较小。以油水两相流率比和连续相的毛细数及Reynolds数为变量建立了弹状液滴尺寸的预测关联式,预测值与实验值吻合良好。

受径向振荡激励的黏弹性液滴稳定性分析

当液滴受到外部周期性的径向激励时,在其表面会形成驻波模式的不稳定,这就是在球面上的Faraday不稳定问题.不稳定的表面波的振荡频率根据流体物性参数和所施加激励条件的不同呈现为谐波或是亚谐波模式的振荡.本文基于线性小扰动理论,研究了受径向振荡体积力的黏弹性液滴表面波的不稳定性.振荡的体积力导致动量方程为含有时间周期系数的Mathieu方程,系统因此变成参数不稳定问题,采用Floquet理论进行求解.本模型中将黏弹性的特征处理为与流变模型参数相关的等效黏度,从而简化了问题的求解.基于对中性稳定曲线及增长率的分析,研究了黏弹性参数对液滴稳定性的影响.结果表明零剪切黏度和应变驰豫时间的增加具有抑制液滴表面波增长的作用,提高了使液滴表面发生谐波不稳定的激励幅值.随着振荡幅值的增加,增长率不稳定的区域减少,且随着振荡频率的增加,液滴表面波增长率减小.通过对增长率的分析可以得出,应力松弛时间的增加使得增长率增加,从而促进了液滴表面波的增长.

黏弹性液滴热毛细迁移的对流不稳定

液滴在温度分布不均的固壁面上产生的热毛细迁移广泛存在于微流控、喷墨印刷等应用中,对其流动进行稳定性分析对液滴迁移的精准控制具有重要意义.本文采用线性稳定性理论研究了附壁黏弹性液滴在热毛细迁移中的对流不稳定性,得到了不同Prandtl数(Pr)下的临界Marangoni数(Ma_(c))与弹性数的函数关系,并分析了临界模态的流场和能量机制.研究发现:流体弹性激发了更多不稳定模态,小Pr的临界模态为斜波和流向波,而中高Pr的临界模态为斜波和展向稳态模态.强弹性使得Ma_(c)显著下降,而弱弹性略微增强了流动稳定性.在中Pr下,Ma_(c)随Pr的增大而增大.对于斜波模态,扰动温度的振幅可存在于流场中间区域,而其他两种模态的温度振幅只存在于自由表面上,并且在高Pr下的流线分布几乎是对称的.能量分析表明:随着弹性数增大,基本流做功由正变负;在小Pr中,扰动应力做功既可能耗散能量又可能提供能量;在高Pr中,基本流做功可忽略不计.对于同向流向波,扰动速度和扰动应力做功在垂直方向上均存在多次振荡.将液滴迁移与热毛细液层进行对比发现,由于基本流和边界条件的不同,两者在临界模态和扰动流场中均存在较大差异.

PTT黏弹性流体的光滑粒子动力学方法模拟

运用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法对基于PHan-Thien-Tanner(PTT)模型的黏弹性流动进行了数值模拟.首先,利用SPH方法模拟了基于PTT模型的平板Poiseuille流,通过与文献结果的比较,验证了SPH方法模拟黏弹性流动的准确性和有效性;随后,基于PTT模型对黏弹性自由表面流-液滴碰撞问题进行了SPH模拟,研究了PTT模型中拉伸参数对碰撞过程的影响.为了解决张力不稳定问题,采用简化的人工应力公式.数值结果表明,SPH方法可有效而灵活地模拟黏弹自由表面流问题.

聚合物对W/O乳状液稳定性的影响规律研究

根据孤岛聚合物驱现场采出液特征,室内模拟配制了W/O乳状液,研究了聚合物对乳状液表观黏度、液滴直径及油水界面黏弹性质的影响规律。结果表明,采出液中的残留聚合物可显著提高乳状液的表观黏度,当聚合物浓度为400 mg/L时,乳状液黏度达到极大值;大于400 mg/L时,乳状液的黏度不再增大。聚合物浓度增大使W/O乳状液的水珠粒径减小、分布集中;聚合物浓度大于300 mg/L时,水珠粒径基本不变。聚合物可改变油水界面膜的流变性,增强油/水界面的黏弹性模量和复数黏度,增大界面膜的强度,增加乳状液的稳定性。以上效应导致含聚合物的采出液乳化更加稳定,破乳更加困难。

变形液滴的反常形态演变

利用高速摄影技术研究了压扁液滴自由落体过程中的形态演变.实验中利用表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)对液滴性质进行调控.实验发现,液滴的形态演变显著依赖于SDS浓度.有趣的是,SDS浓度为0.8 cmc时,液滴可较长时间保持压扁形态而不回复成球形.经受力分析,界面的Gibbs弹性不足以完全抵消Laplace压差所产生回复力.声场作用下产生的宏观表面浓度梯度导致强烈的Marangoni效应,赋予界面以额外弹性,从而与液滴回复力相抗衡.