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。     

对置液柱撞击液膜破裂特征

采用高速摄像仪对两液柱撞击产生液膜的破裂过程进行了实验研究。分析了撞击液膜的破裂过程及表面波产生和传播过程,考察了射流直径、喷嘴间距和射流Weber数（We）对撞击液膜破裂的影响;定量分析了液膜表面波频率的变化及液膜破裂后的粒径分布情况。研究结果表明,液膜表面波传播频率随We的增大而增大,并沿液膜径向方向逐渐减小;随着射流We的增加,液膜边缘的液滴脱落频率增加;当We>1000时,液膜表面产生大量液滴团,且液滴团对液膜破裂具有促进作用;液柱撞击液膜发生破裂后90%以上的量纲1液滴粒径分布在0～1之间。     

转盘离心雾化高黏非牛顿流体薄液膜纤维化特性

高黏性流体经转盘离心雾化以液滴形式进入气相可显著改善气液相间接触,其纤维化特性直接决定了雾化液滴的尺寸,是影响物料品质的关键因素。针对转盘离心雾化器,对非牛顿黏性液膜失稳纤维化过程的物理机制进行了分析,分析了高黏度流体,仅考虑黏性作用时,黏性力对纤维间距的贡献,建立了黏性力与表面张力耦合作用下液膜破碎的纤维间距预测模型,探讨了液膜纤维化的一般规律。结果表明,黏性对液膜的失稳纤维化起抑制作用,黏度提高,纤维数量减小,纤维间距增大。纤维数量与转盘边缘液膜线速度相关。进入完全纤维状模式后,纤维数量趋于稳定,提高转速引起纤维数量稳定的流量范围缩小,不利于雾化,可采用低转速、大直径转盘改善雾化效果。非牛顿高黏流体液膜破碎后的纤维数量与Weber数、等效Reynolds数和流变指数直接相关。研究结果对高黏流体的转盘离心雾化系统设计与优化提供了可借鉴的理论与应用基础。     

转盘离心雾化高黏非牛顿流体薄液膜纤维化特性

高黏性流体经转盘离心雾化以液滴形式进入气相可显著改善气液相间接触,其纤维化特性直接决定了雾化液滴的尺寸,是影响物料品质的关键因素。针对转盘离心雾化器,对非牛顿黏性液膜失稳纤维化过程的物理机制进行了分析,分析了高黏度流体,仅考虑黏性作用时,黏性力对纤维间距的贡献,建立了黏性力与表面张力耦合作用下液膜破碎的纤维间距预测模型,探讨了液膜纤维化的一般规律。结果表明,黏性对液膜的失稳纤维化起抑制作用,黏度提高,纤维数量减小,纤维间距增大。纤维数量与转盘边缘液膜线速度相关。进入完全纤维状模式后,纤维数量趋于稳定,提高转速引起纤维数量稳定的流量范围缩小,不利于雾化,可采用低转速、大直径转盘改善雾化效果。非牛顿高黏流体液膜破碎后的纤维数量与Weber数、等效Reynolds数和流变指数直接相关。研究结果对高黏流体的转盘离心雾化系统设计与优化提供了可借鉴的理论与应用基础。     

液滴碰撞液膜复合level set-VOF法的数值分析

液滴碰撞液膜现象广泛存在于化工领域中。采用CLSVOF法建立了液滴碰撞液膜数值模型,并开展实验验证了模型的准确性。通过分析结果,研究了碰撞速度对液滴运动形态的影响,揭示了液滴内部流动传热和飞溅机理,并探索了液滴撞击液膜动力学和传热特性随碰撞速度的变化规律。研究表明:液滴碰撞液膜后随碰撞速度的增加依次呈现出波动、皇冠射流和射流飞溅等形态;碰撞速度越大,射流飞溅特征越明显。碰撞中心区域较大的压力梯度是液滴铺展的主要原因;铺展边缘较大气液压差是产生射流的主要原因;射流区域内速度间断是皇冠射流发展的关键因素;空气剪切及毛细波的作用是射流颈部收缩和产生飞溅的关键。碰撞速度越大,液滴的铺展系数、无量纲射流高度和壁面最大平均热流密度越大,无量纲液面中心相对高度越小;随着液滴雷诺数的增加,壁面最大平均热流密度的碰撞速度效应逐渐减小。     

液滴冲击加热壁面沸腾现象特征分析

采用高速摄像仪对液滴冲击加热壁面过程进行实验观测,分析了不同实验流体的沸腾现象特征,探讨了中间射流及宝塔状气泡的形成机理。观测发现,壁温高于液体对应的Leidenfrost温度时水滴撞击后会出现暴沸现象,由于气泡夹带伴随强烈的核化作用,氯化钠溶液液滴撞击后可以观察到中间射流的产生,醇类液滴则发生完全反弹;壁温低于Leidenfrost温度时液滴在加热壁面会出现泡状沸腾现象,与半球形气泡不同,宝塔状气泡出现在液膜厚度较大的区域。此外定量考察了液滴在加热壁面完全反弹时的最大铺展因子,发现铺展因子仅受Weber数影响,与文献结果比较表明本研究得出的铺展因子经验公式可较好地预测液滴在加热壁面的铺展尺度。     

液滴冲击加热壁面沸腾现象特征分析

采用高速摄像仪对液滴冲击加热壁面过程进行实验观测,分析了不同实验流体的沸腾现象特征,探讨了中间射流及宝塔状气泡的形成机理。观测发现,壁温高于液体对应的Leidenfrost温度时水滴撞击后会出现暴沸现象,由于气泡夹带伴随强烈的核化作用,氯化钠溶液液滴撞击后可以观察到中间射流的产生,醇类液滴则发生完全反弹;壁温低于Leidenfrost温度时液滴在加热壁面会出现泡状沸腾现象,与半球形气泡不同,宝塔状气泡出现在液膜厚度较大的区域。此外定量考察了液滴在加热壁面完全反弹时的最大铺展因子,发现铺展因子仅受Weber数影响,与文献结果比较表明本研究得出的铺展因子经验公式可较好地预测液滴在加热壁面的铺展尺度。     

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。     

基于LBM的液滴撞击液膜数值模拟

结合格子玻尔兹曼方法(LBM)与VOF法对液滴撞击液膜的过程进行数值模拟。对不同分子结构下液滴撞击液膜的铺展、水花的形成以及飞溅等现象进行了分析描述,定量地讨论了水花飞溅的高度以及液滴撞击后在液膜上的铺展直径,并在此基础上对不同形状液滴撞击液膜的动态特性和最大涡量进行分析。结果表明:液滴在空气中撞击液膜更容易产生水花并伴随二次小液滴的产生,且铺展直径最大;液滴在氦气中仅会有水花产生,说明液滴在氦气中水花的飞溅受到了抑制;液滴在氮气中溅起的水花比甲烷高,但其铺展面积相近。在不同形状的液滴下,AR值较大的液滴不会出现射流现象,扁椭圆液滴撞击液膜后产生的最大涡量值更大。     

液—液分散雾化形成液滴的模式

基于图像采集与处理方法实验研究了水喷入非相溶油中的液液分散雾化过程.结果表明,通过改变操作条件使水破碎形成3种水滴模式:滴流、层流射流和湍流射流,揭示了其演变规律及其形成机理,获得了分散液体破碎强度、射流长度脉动和液滴粒径分布参数随雷诺数Re、韦伯数We的变化规律.随Re和We增加,分散液体破碎强度持续增强,在Re=467,We=8.6时液滴形成模式由滴流向层流射流发展,在Re=3169,We=241时演变为湍流射流,且液滴的粒径均匀性和最小平均粒径均出现在湍流射流模式下;在滴流模式下,液滴的形成、长大与脱离喷嘴均由液滴受力的平衡机制控制;在层流射流模式下,射流柱破碎形成液滴主要由两相界面的表面波扰动引起,且射流长度的脉动具有随机和非周期的特点;在湍流射流模式下,射流柱表面出现拟序涡结构,其在射流起始段失稳,在射流扩散段大量形成较小粒径的液滴.     

转盘离心粒化中丝状成粒特性

针对转盘离心粒化工艺,以水为工质开展可视化实验。采用高速摄影仪对液膜波动、液丝断裂等粒化过程进行了捕捉,并利用MATLAB自编程序对获得的图像进行了处理。分析了离心粒化过程中液丝形成过程以及液丝断裂形成液滴的过程。研究了运行工况对液丝、液滴形成机制的影响。讨论了液丝形成对液滴形成的影响并获得了Weber数、Reynolds数对粒化效果的影响程度。结果表明,表面不稳定波是形成液丝的主要因素,且液丝在Rayleigh不稳定性的作用下断裂形成液滴。升高转速或者减小流量有利于获得均匀的小液滴。Weber数对液丝、液滴形成具有显著影响;Reynolds数仅对液丝数目有显著影响。     

液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的数值分析

采用VOF方法对液滴碰撞亲-疏水性组合壁面过程进行数值模拟。通过量纲1化,在Reynolds数不变的情况下,研究Weber数和亲水性区域直径对液滴碰撞动态特性的影响,绘制了液滴碰撞结果分区图。结果表明：随着Weber数从1增加至100,液滴呈现出附着、短液滴一次破碎和长液滴多次破碎3种状态;液滴破碎过程受到表面张力、壁面黏附力及Rayleigh不稳定性的影响,亲水性区域直径增加时,液滴破碎所对应的临界Weber数随之增大;此外,Weber数较大时,液滴最大铺展因子不受亲水性区域直径的影响,Weber数较小时,最大铺展因子随亲水性区域直径的增大而增大。     

液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的数值分析

采用VOF方法对液滴碰撞亲-疏水性组合壁面过程进行数值模拟。通过量纲1化,在Reynolds数不变的情况下,研究Weber数和亲水性区域直径对液滴碰撞动态特性的影响,绘制了液滴碰撞结果分区图。结果表明:随着Weber数从1增加至100,液滴呈现出附着、短液滴一次破碎和长液滴多次破碎3种状态;液滴破碎过程受到表面张力、壁面黏附力及Rayleigh不稳定性的影响,亲水性区域直径增加时,液滴破碎所对应的临界Weber数随之增大;此外,Weber数较大时,液滴最大铺展因子不受亲水性区域直径的影响,Weber数较小时,最大铺展因子随亲水性区域直径的增大而增大。     

喷雾冷却中液滴撞击带气泡液膜的数值模拟

在喷雾冷却过程的核态沸腾区,液滴与液膜及液膜内气泡的撞击对过程传热有重要影响。本文建立以水为冷却工质的单液滴撞击带气泡液膜的二维数值模型,模拟研究过程现象和传热规律。结果表明,We为6.94、量纲为1的液膜厚度为0.5（对应液滴速度0.5m/s、液膜厚度1mm）时,撞击过程中液膜扰动不显著、运动形态近似波纹;当We增大到111.11（对应液滴速度2m/s）时,撞击过程中液滴与液膜接合处的表压达到6000Pa,成为颈部射流现象的推动力,并逐步发展形成冠状水花;撞击过程中气泡的存在会阻碍液滴与加热表面的直接接触,但随着气泡的破裂,液滴与加热表面直接接触换热,使撞击点附近表面传热系数远大于其他区域,提高了传热能力,且液膜厚度越小、液滴速度越大,表面传热系数峰值越高。研究结果可为喷雾冷却系统的进一步研究提供理论依据。     

冻结与非冻结环境对液-液雾化影响的实验研究

水在低温冻结环境液体中雾化是液-液循环流化床制取流体冰技术的关键环节.今对常温非冻结环境或低温冻结环境中液-液雾化过程的射流与液滴形成特性进行了实验研究,提出了形成液滴的四种射流破碎方式,考察了冻结与非冻结环境中,滴流雾化向射流雾化转变的射流雷诺数,获得了射流雾化发生时随射流雷诺数的变化,射流破碎方式的转变规律、射流长...     

蒸汽在过冷液体喷雾上直接接触相变换热过程实验研究

以水为工质,通过实验研究了饱和水蒸汽与过冷水喷雾逆流直接接触冷凝换热过程,考察了不同入口液相温度下液膜厚度及破碎长度变化、液膜轴向及径向的温度分布;基于实验数据计算出了液膜局部传热系数及总传热系数。实验研究的结果表明,直接接触冷凝换热过程中,低入口液相温度时的液膜厚度和破碎长度更大;液膜在径向方向上存在温度梯度变化,液膜表面的温度较高,中心存在1个最低温度;随着液膜运动轴向距离的增大,液膜温度逐渐升高,喷嘴出口处液膜的温升最快,在整个喷雾的冷凝换热过程中,液膜温升占喷雾换热总温升的80%～85%,因此相比液滴,液膜起主要换热作用;喷嘴出口处的局部传热系数最大,并随着轴向距离增大逐渐减小。实验得到总传热系数的值远大于传统的膜状冷凝传热系数,体现了蒸汽-过冷液体喷雾这类直接接触换热方式的优势。     

规整填料表面液膜流动特性的数值模拟

精馏过程气液两相流运动分布特征对分离效率具有重要影响。为研究规整填料表面液膜流体动力学特性建立了基于VOF方法的CFD分析模型,并基于文献试验结果进行了验证。对液膜随时间和空间的演化分布特征、速度场分布和液相流量影响进行了模拟分析。液膜在波纹顶部下沿聚集形成凸起状波峰,在波纹底部波峰消失,而到达下节波纹上沿时,波峰重新形成;瞬态液膜厚度随时间波动,且沿填料表面液膜平均厚度先减小后保持稳定;发现液相聚集及形成液滴坠落容易导致出现干板区。不同位置液膜速度分布存在明显差异,沿填料表面液膜平均速度先增后减或保持稳定;液膜绕过波纹顶部时会加速,在波纹底部和上沿处会减速。液相流量增大,液膜平均厚度和速度均有所增大。     

错流碟片旋转超重力场中液膜体积分率的实验研究

错流碟片旋转填充床反应器可有效脱除燃煤烟道气中的二氧化碳和其它有害成分,但液体分布状态对反应速率有很大影响,研究液膜的体积分率可为该类型反应器的设计提供有效的依据参数;实验研究了碟片转速、液体流量、气体流量、碟片间距和碟片开孔率与液膜体积分率的关系,用每张碟片底部对应液体收集器储存并测量碟片表面液膜的体积流量,用高速摄像机记录不同条件下液膜的存在状态和变化规律.研究表明随碟片转速增加液膜分率降低,增强的离心力促使液膜破裂,但液滴的甩出速率增加,促使液滴二次聚并,有不连续液丝产生.增大入口液体流量,液膜分率减小,液膜厚度变化缓慢,空间液滴增大.增大气体流量,液膜分率减小,厚度变薄,碟片表面附着液膜被吹散,促使液体雾化.液膜分率随碟片间距增加减小,提高碟片间距可有效减少液滴二次聚并;碟片开孔率增大液膜分率减小,提高碟片开孔率可有效降低碟片表面液膜的连续性,促使液膜分裂.     

微柱表面液滴定壁温沸腾实验研究

利用高速摄像技术对去离子水液滴撞击微柱结构表面后的蒸发及核化过程进行观测。实验测得不同壁面温度下液滴蒸干时间,获得液滴沸腾曲线;发现相对光滑表面,微柱表面在50、60、70、80、120℃强化相变换热,120℃时强化比例最大,达到35.71%;壁温为90、100、110℃时,微柱表面无强化作用。从液滴直径和厚度的变化可知微柱表面液滴蒸发分为两个阶段:第一阶段,液滴直径不变,厚度变化;第二阶段,液滴厚度接近微柱高度,直径减小。随壁温升高,第一阶段时长显著缩短。液滴内部核化点密度和气泡平均直径随壁面温度的升高均有明显增大的趋势。需指出的是,液滴冲击对微柱表面液滴内部核化点分布有重要影响,受微柱结构及滴落冲击作用液滴内部成核气泡沿液滴半径呈辐射状分布。     

微柱表面液滴定壁温沸腾实验研究

利用高速摄像技术对去离子水液滴撞击微柱结构表面后的蒸发及核化过程进行观测。实验测得不同壁面温度下液滴蒸干时间,获得液滴沸腾曲线;发现相对光滑表面,微柱表面在50、60、70、80、120℃强化相变换热,120℃时强化比例最大,达到35.71%;壁温为90、100、110℃时,微柱表面无强化作用。从液滴直径和厚度的变化可知微柱表面液滴蒸发分为两个阶段：第一阶段,液滴直径不变,厚度变化;第二阶段,液滴厚度接近微柱高度,直径减小。随壁温升高,第一阶段时长显著缩短。液滴内部核化点密度和气泡平均直径随壁面温度的升高均有明显增大的趋势。需指出的是,液滴冲击对微柱表面液滴内部核化点分布有重要影响,受微柱结构及滴落冲击作用液滴内部成核气泡沿液滴半径呈辐射状分布。