双液滴同时撞击液膜流动及换热过程数值模拟

液滴撞击液膜对换热特性及液膜形态变化具有较大影响,对其研究有助于提高机载喷雾冷却性能,促进航空工业应用与发展。采用CLSVOF方法模拟了双液滴同时撞击液膜的现象,在不同液膜厚度、液滴水平间距和重力加速度工况下,研究了液膜形态演变过程及特性,探索了双液滴撞击液膜后中心射流的发展规律,分析总结了液膜与高温壁面的换热特性。结果表明,液膜厚度越大,中心射流上升速度越慢,射流发生断裂时刻越晚,撞击后产生的液膜回缩对壁面换热影响较大;液滴水平间距越大,中心射流上升速度越慢,增大液滴间距不改变壁面热流密度变化的趋势;重力加速度越大,中心射流上升速度越慢,射流发生断裂时刻越早,重力加速度对壁面换热影响较小。

Effect of droplet size on the jet breakup characteristics of n-butanol during impact on a heated surface

Jet breakup during droplet impacted on heated surface has received wide concerns due to its regularity.The Weber number(We)is a common used dimensionless parameter to classify and analyze the phenomenon,but it is unable to summarize all detailed phenomenon variations and related theory.Thus,the effect of droplet size on jet breakup was investigated by considering its significant difference in various scenarios.The behavior of n-butanol droplets with diameter range from 1.71 mm to 2.84 mm impacts a heated surface with jet breakup was recorded by backlit technology.Three parameters,the jet breakup time,the jet breakup length and the jet ligament diameter,were analyzed to illustrate the phenomenon.The results showed that these parameters are affected by the droplet size largely at 10<We<35,but affected lightly at higher Weber numbers.The sub-droplet diameter reduces with Weber number for all initial size droplets while the larger initial droplet corresponds to larger sub-droplet.The breakup time,breakup length and jet liga­ment diameter increase with the initial diameter.The time of jet breakup versus agrees well with the theory of Rayleigh instability regardless of droplet diameter.In addition,the jet breakup phenomenon was observed to evolve into pancake bouncing with an ultrafine high-speed jet when the We was above 50.

掺气水射流应用于低压摇臂喷头的试验

为解决固定式旋转喷头低压喷灌时,水射流向末端集中形成水量分布不均匀的问题,提出水气两相射流进行喷灌的方法。在摇臂喷头结构的基础上,增加掺气结构,形成掺气射流喷头,以相同工作水压力、射流仰角、喷嘴出口流量相同为约束,以及不考虑副喷嘴对喷洒的影响,对比了掺气与不掺气2种情况下PY20喷头的射程、径向水量分布、1倍射程间距的正方形组合喷灌均匀系数,雨滴粒径等参数。试验结果表明:原不掺气摇臂喷头出口直径7 mm,安装内径2 mm的掺气管后出口直径改为8.3 mm,此时两者具有相同的出口流量,2种喷头在相同工作压力下具有近似相等的射程;在掺气喷头工作水压低至100 k Pa情况下,喷头仍具有76 mm水银柱高差的掺气负压能力;掺气摇臂喷头改善了径向水量分布线射程中段的水量,使水量分布线发生了中段略微增高、末端略下降的变化,从而使1倍间距的正方形组合喷灌均匀系数在低于国家标准工作压力的200 k Pa情况下,从62.8%提高到68.8%;采用激光雨滴谱仪测量射程中部和末端2个地方的水滴粒径表明:掺气状态下射程中部的水量累积百分比中位直径d50远大于不掺气状态,射流末端对比d50则小于不掺气状态,说明掺气改变了喷头的雨滴粒径分布。该文试验结果证明掺气摇臂喷头在农业喷灌中应用具有可行性。

液滴撞击液膜动力学特性的FTM模拟

采用界面追踪法(front-tracking method)对液滴撞击液膜动力学特性进行数值模拟,通过撞击后的形态演变及内部物理场信息分析,研究了韦伯数和无量纲液膜厚度对界面运动过程的影响,并阐述了撞击过程中形成卷吸现象的机理。研究表明,液滴撞击之后,会在颈部区域产生小射流,该射流是后期水花形成的基础;水平方向上,在撞击影响不到的区域压力不变化,而在射流形成处的颈部附近存在局部压差;液滴撞击液膜时其间的气体层被压缩,在流体黏性和剪切力的作用下,压力高的气层中的气体逃逸速度减慢,从而形成卷吸现象。

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.

中空液滴碰撞水平壁面数值分析

采用耦合水平集-体积分数法并综合考虑传热及接触热阻作用建立了中空液滴碰撞水平壁面数值模型,并验证了模型的可靠性.通过分析计算结果,获得了中空液滴与实心液滴撞壁的动力学特征差异,揭示了中空液滴撞壁流动传热机理和中心射流形成机制,探索了碰撞速度和壁面浸润性对中空液滴撞壁动力学和传热特性的影响.研究表明:中空液滴撞壁后中心射流特征明显,并伴随有射流收缩和液壳破碎等现象.中空液滴内部压力梯度是液滴铺展、中心射流产生和发展的主要原因;撞壁过程中中心射流表面温度分布较为均匀,破碎液壳表面温度分布波动较大.碰撞速度与中空液滴撞壁最大铺展系数的相关性较小,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较大;壁面浸润性与中空液滴撞壁后期铺展系数的相关性较大,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较小.

高韦伯数液滴撞壁诱导的中间射流破碎现象

针对内燃机缸内附壁油膜问题,模拟液滴撞壁过程,设计开发了气体驱动单液滴高速撞击热壁面试验系统.研究了液滴高速撞壁对二次雾化的影响,同时考虑壁面温度对撞击效果的影响.结果表明,目前液滴撞壁研究的韦伯数范围多是20～1 000,而通过使用驱动气体(氮气)将小液滴加速至10.8 m/s,从而产生碰壁韦伯数高达4 057的液滴;液滴在韦伯数高达一定条件下发生射流破碎现象,热效应并不是唯一导致其产生的因素;随着韦伯数的增加,射流高度及产生的次级液滴数量也随之增加;随着壁面温度升高,发生中间射流现象时的韦伯数随之降低;在高韦伯数条件下,在远高于水的Leidenfrost临界温度时并没有明显的Leidenfrost现象产生.

含气泡油滴撞击矩形沟槽壁面的数值分析

采用耦合水平集-体积分数(CLSVOF)方法对含气泡油滴撞击矩形沟槽壁面现象进行数值模拟研究,考察了油滴撞击壁面后的形态演化过程,分析了中心射流形成机理和气体夹带的分布规律,并探究了沟槽宽度、沟槽深度和撞击位置对油滴铺展特性的影响。研究表明:含气泡油滴在矩形沟槽壁面铺展时会形成中心射流,沟槽内部存在气体夹带现象。气泡底部的速度旋涡是形成中心射流的主要原因,沟槽内的气体夹带受油滴铺展速度影响呈现规律性分布。沟槽宽度对含气泡油滴在垂直沟槽方向和平行沟槽方向的铺展长度影响较大,但对铺展高度影响较小。当无量纲沟槽宽度为0.3时,油滴形成颈部射流并在运动后期使垂直沟槽方向的铺展长度迅速增加。此外,沟槽深度也对含气泡油滴在各方向的铺展有重要影响,沟槽深度越大,中心射流现象越难形成。撞击位置变化不改变油滴在沟槽壁面上的运动演化过程,但对沟槽内部的气体夹带规律有一定影响。

农药液滴撞击移动液膜和非对称冠状水花形成机理分析

研究农药液滴在植物表面的撞击规律对于提高农药喷雾效率、促进农业病虫害治理具有重要意义。采用CLSVOF(Coupled level set and volume of fluid)方法建立单液滴撞击水平运动液膜的数值模型,通过分析撞击后液体内部的压力分布、速度分布和涡量云图,验证了运动间断、射流形成和射流顶部末端飞溅机制,揭示了非对称水花形成机理。由计算结果可知,液膜流动产生冠状水花主要体现在两侧射流发展行为不一致、冠基厚度不均匀和两侧射流末端飞溅现象不对称,并且受液膜流动惯性的影响,冠基随着液膜流动发生迁移,当无量纲速度U=0.8、无量纲时间T=3.47时,冠基完全迁移至撞击点右侧;颈部压差机制导致射流形成,射流的发展由液滴的径向运动和射流端部的旋涡共同决定,随着液膜流速的增大(0~0.8),上游的射流沿水平方向快速生长,下游射流则倾向于垂直向上延伸,两侧射流末端运动速度均增大;液滴径向运动速度和铺展速度之间的速度差决定了射流末端飞溅状态,上游液膜流动方向与液滴铺展方向相反,故上游末端飞溅行为比下游显著。

中空液滴撞击液膜的数值研究

采用耦合水平集-体积分数法(CLSVOF)建立了中空液滴撞击液膜的数值模型,进行了模型的准确性验证,对中空液滴撞击液膜的动态特性及传热特性进行了研究。结果表明,中空液滴撞击液膜的动态过程包含液壳破碎、液壳液膜融合、液滴铺展等过程。中空液滴撞击液膜时会出现空气卷吸现象及颈部射流现象,颈部射流现象产生的原因是由于液滴颈部位置存在较大的局部压差。随着时间的推移,近壁面处流体的温度逐步上升,壁面的热流密度逐步降低,撞击过程对于传热特性所产生的影响趋于明显。分析了液壳厚度、液膜厚度及撞击速度对传热特性所产生的影响,壁面的平均热流密度随着液壳厚度及撞击速度的增大而增大,随着液膜厚度的增大而减小。

液滴撞击加热亲水管壁后的反弹和中心射流

采用高速摄像机拍摄水滴撞击加热亲水管壁的动态过程,研究在不同撞击速度(韦伯数)和壁面温度下,液滴撞击后出现的液膜反弹和中心射流现象.不同于液滴撞击常温亲水管壁,液滴撞击加热亲水管壁后会反弹.在曲率比(液滴直径与管外壁直径的比值)为0.15,撞击速度为0.47~1.40 m/s,壁面温度为20~305℃的条件下,观测到“回缩-反弹”“铺展-反弹”和“破碎-反弹”3种反弹形式,总结其发生条件.壁面温度是决定液滴撞击后能否发生反弹的关键因素,壁面温度和韦伯数均对“破碎-反弹”的产生有显著影响.从重力、惯性力和气化反作用力角度分析产生快速“铺展-反弹”现象的原因.分析中心射流形成原因,发现增加壁面温度和韦伯数有利于不完全中心射流的形成.

壁面浸润性对液滴撞击液面行为的影响

研究壁面浸润性对液滴撞击液面行为的影响.采用纳米喷涂方法,制备内壁具有超亲水、疏水、超疏水浸润性的3种试管.采用高速摄影机记录不同浸润性试管内液滴撞击凹凸气液界面的实验现象.利用镜面成像原理校准液滴撞击点,使液滴撞击试管液面正中央.实验结果表明:壁面越疏水,产生射流现象的撞击高度范围越大.将撞击形成的凹坑简化成圆锥,对液滴撞击液面前后状态进行能量分析,解释了壁面越疏水液滴撞击液面越容易产生射流的实验现象.

不同液膜厚度条件下液滴/液膜碰撞特性

为获得不同液膜厚度条件下液滴/液膜碰撞特性,开展了大量的液滴/液膜碰撞试验,分析了液膜厚度对液滴/液膜碰撞形态的影响,构建了考虑液膜厚度影响的液滴/液膜碰撞形态辨识准则,确定了液滴/液膜碰撞产生的二次液滴数量与碰撞工况条件间的无量纲关系。研究结果表明:在碰撞初始阶段,液滴/液膜碰撞形态与液膜厚度无关,液滴顶部速度与入射速度一致,而空腔底部扩展速度约为液滴入射速度的0.4倍;随着碰撞时间的继续,液膜厚度对液滴/液膜碰撞形态有较大影响,液膜厚度越小,越不利于二次液滴和中心射流的产生,空腔深度扩展速度呈现出随无量纲液膜厚度减小而下降的趋势;当飞溅参数KCossali大于1 500+1 000×δ-0.8时,液滴/液膜的碰撞形态为溅射,给出了发生飞溅后产生的二次液滴数量的计算公式。

液池深度对水滴撞击水面后形态特征影响的实验研究

用实验方法对液滴撞击液面后的形态特征及其机理进行了研究。用高速摄像机记录了不同液池深度下的液滴撞击液面过程,总结出了在不同阶段出现的液坑、液冠、中心射流和次生液滴等特征现象。基于计算机视觉算法开发了图像处理程序,实现了特征几何参数的自动提取。讨论了液池深度、韦伯数、初始液滴直径和液滴下落高度等因素对特征运动形态的影响。结果表明:在韦伯数一定的情况下,当液池深度跨越某个临界值时,液坑、液冠、中心射流和次生液滴等特征现象发生显著变化;液冠–液坑高度比随韦伯数的增大在一定范围内增大;中心射流能否分离出次生液滴与液池深度和初始液滴直径有密切的关系。

双液滴撞击液膜的界面追踪法数值模拟

使用界面追踪法(FTM)模拟了双液滴-液膜撞击系统中液膜卷吸气体生成气泡以及中心射流破碎发展成二次液滴的过程,分析了气泡生成以及射流破碎的机制。研究了不同We数与无量纲液滴间距的影响,得出双液滴撞击液膜系统中能发生气泡卷吸的We数范围是30~276,并且随着We数和无量纲液滴间距的增大,卷吸气泡的成型时刻越早,其体积也越大。对于中心射流的破碎,研究发现,We数越大,中心射流就会越早发生破碎,无量纲液滴间距越大,中心射流发生破碎时的We数阈值就越小,并且形成的二次液滴与碰撞轴线的距离越远,但是体积会越小。

气流对含气泡油滴撞壁铺展流动过程的影响

油-气润滑系统工作过程中,有效的润滑油膜是确保摩擦副润滑效果的关键,其形成质量与输送气流作用下含气泡油滴撞壁后的铺展流动过程密切相关。为探索该铺展流动过程,基于VOF(Volume of fluid)方法对输送气流作用下含气泡油滴的撞壁过程进行数值模拟研究。观察了输送气流作用下含气泡油滴撞壁后的铺展流动过程,探讨了气流入射角及碰撞-气流速度比对含气泡油滴铺展特性的影响,分析了铺展过程中的气泡破裂及中心射流机制。发现当气流方向与含气泡油滴碰撞方向(竖直方向)存在差异时,含气泡油滴撞壁后在x方向的铺展呈非对称性。随着气流入射角的减小,非对称铺展现象越明显。碰撞-气流速度比增大时,非对称铺展现象减弱。碰撞速度较低(碰撞-气流速度比小于4)时含气泡油滴撞壁后,上侧油膜厚度不断减小直至达到极限值,最终在气流拖曳力、黏性剪切力及表面张力的共同作用下发生破裂。碰撞速度较高(碰撞-气流速度比等于4)时含气泡油滴撞壁后,其内部产生的速度涡旋致使部分铺展油液向气泡底部汇聚,中心射流得以形成。中心射流逐步发展直至穿透上侧油膜,气泡发生破裂。之后,气泡两侧油膜发生破碎并形成膜油滴,壁面油膜逐渐收缩成油膜层。

高分子材料添加物对液滴撞击超疏水壁面后奇异射流行为的抑制机制研究

研究了纯水液滴和黄原胶水溶液液滴撞击超疏水壁面过程中的奇异射流行为生成机制。基于高速摄像技术搭建可视化实验平台,发现纯水液滴在中等W e数范围内撞击壁面过程中出现奇异射流行为。同时,在特定的W e数范围内,奇异射流行为伴随着气泡卷吸现象发生。研究结果表明,在纯水中添加微量的高分子材料黄原胶可以实现对液滴撞击壁面后奇异射流行为的完全抑制。为了深入分析奇异射流行为的生成机制,基于有限元法,通过水平集方法捕捉相界面的移动,构建了了液滴撞击超疏水壁面的数值模型,以数值方法揭示了奇异射流的生成过程。

射流液滴撞击壁面二次液滴的粒径特性研究

液滴碰撞是液滴动力学研究的基本内容。基于可视化图像技术对射流液滴连续撞击微小固体壁面后形成的二次破碎飞溅液滴的粒径特性进行了实验研究,在低压低射流量的基础上,阐明了射流液滴连续撞击固体壁面破碎飞溅的雾化过程,分析了不同位置和驱动压力对二次破碎飞溅液滴粒径分布特性的影响,结果表明:二次液滴粒径总体而言相对较小,几乎位于100μm以下,且峰值区域基本集中在30~40μm之间,具有较好撞击雾化效应。二次液滴粒径在空间分布上存在差异,并非完全对称于撞击中心分布,水平方向上距离撞击点越远,二次液滴粒径越小;垂直方向上高度越高,粒径越小。随着驱动压力的增大,频率分布峰值的二次液滴粒径变小,二次液滴粒径分布范围变大。

流体性质对液滴碰撞壁面影响的数值研究

不同学者对液滴碰撞动力学的研究结论具有差异,研究的流体种类也较为单一。该文建立的研究体系包含了水、甘油水溶液、硅油、常温液态金属在内的9组流体,将流体黏度、表面张力的研究范围扩展至1~970 mPa·s、20~500 mN/m,通过相场法数值模拟,补充低Reynolds数Re的液滴碰撞数据,探索已有理论的适用性。研究表明:碰撞初期,铺展因子β随无量纲时间τ变化的已有理论主要适用于Re>100的情况。最大铺展因子β_(max)与Weber数We在毛细力区满足β_(max)∝We^(b),在黏性力区满足β_(max)∝Re^(b),与已有理论相符,壁面润湿性对指数b的影响具有规律。最小中心厚度h^(*)_(min)仅在We≥10时与已有理论h_(min)∝Re^(-0.5)相符;We<10时,h^(*)_(min)受到壁面润湿性和表面张力的明显影响。而当Re趋近于1时,β_(max)和h^(*)_(min)由液滴初始动能和壁面润湿性决定,偏离上述幂函数规律。

中空液滴倾斜撞击水平液膜的动力学数值研究

近年来,中空液滴因其在热喷涂、发泡材料的三维打印技术等领域中的优势再次引发了人们的关注.本文基于流体体积分数法(VOF)对中空液滴倾斜撞击水平液膜的动力学特征进行了数值计算,探究了不同撞击条件下中空气液滴倾斜撞击液膜后水花的形成以及演化过程,并分别对撞击倾角、液膜厚度以及撞击速度的影响进行了分析.结果表明,随着撞击倾角的增加,两侧冠半径呈现相反的变化趋势;当液膜厚度增加时,存在一个临界液膜厚度,此时右冠高度达到最大值;当撞击速度增大时,中空液滴倾斜撞击后的流动现象产生由无水花到有水花再到冠状水花的转变.当撞击速度达到一定值时,液滴前进方向一侧液膜不稳定性增强,并导致该侧的冠更容易在撞击初期发生破碎断裂.此外,本文还讨论了不同撞击条件下液滴内气泡的变形过程,并对不同条件下中空液滴倾斜撞击液膜后的水花形态进行了总结.