涂层表面形貌形成过程模拟与分析

表面涂层形貌形成过程的定量描述对涂层质量控制效果的提升至关重要,建立了集成蒙特卡罗（Monte Carlo）和计算流体力学（CFD）的混合方法模拟复杂的海量液滴沉积成液膜及其随后的流平过程,并系统研究油漆液滴平均直径、黏度、密度以及表面张力对涂层表面粗糙度、流平速度以及流平时间的影响。模拟结果表明,油漆液滴平均直径增大,涂层初始表面粗糙度增大,流平速度减小,流平时间延长;黏度增大,涂层的初始和最终表面粗糙度增大,流平速度减小,流平时间延长;密度减小,涂层初始表面粗糙度增大,初始流平速度增大,流平时间稍微缩短,对最终表面粗糙度影响不大;表面张力增大,涂层流平速度增大,流平时间缩短,对涂层最终表面粗糙度影响很小。     

随机粗糙表面上剪切变稀流体液滴的沉积过程模拟

采用计算流体力学相场方法模拟了单个剪切变稀非牛顿流体液滴在随机粗糙表面的沉积过程,并分析揭示了随机粗糙表面形貌对液滴运动状态及平衡状态的影响。结果表明,在指定的相同操作条件下,即使在光滑表面,剪切变稀流体液滴比牛顿流体液滴铺展更大且回缩至平衡所需时间更少,不存在二次铺展;剪切变稀流体液滴最大铺展直径随均方根粗糙度Rr与Wenzel粗糙度Wr的增加而略有增加。Wr相同时,随着Rr增大,液滴最终铺展系数减小,高度系数增大,平衡接触面积及接触角有所减小。在Rr相同情况下,随着Wr增大,液滴达到平衡所需时间缩短,平衡接触面积线性增大。     

随机粗糙表面上剪切变稀流体液滴的沉积过程模拟

采用计算流体力学相场方法模拟了单个剪切变稀非牛顿流体液滴在随机粗糙表面的沉积过程,并分析揭示了随机粗糙表面形貌对液滴运动状态及平衡状态的影响。结果表明,在指定的相同操作条件下,即使在光滑表面,剪切变稀流体液滴比牛顿流体液滴铺展更大且回缩至平衡所需时间更少,不存在二次铺展;剪切变稀流体液滴最大铺展直径随均方根粗糙度Rr与Wenzel粗糙度Wr的增加而略有增加。Wr相同时,随着Rr增大,液滴最终铺展系数减小,高度系数增大,平衡接触面积及接触角有所减小。在Rr相同情况下,随着Wr增大,液滴达到平衡所需时间缩短,平衡接触面积线性增大。     

弹性拉毛外墙涂料高剪切回复黏度和涂层表面形态关系

在特定条件下用流变测试方法取代辊涂施工来预测涂层表面形貌以缩短优化涂料配方周期。研究发现对不同样品以初始黏度进行归一化后,黏度回复快的涂料弹性大,最终涂层表面花型尖锐。弹性拉毛涂料具有较短的流平时间大约10 s,回复黏度快的涂料能够保持最初的拉毛效果。     

悬浮Ar-CH4纳米液滴蒸发过程的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了Ar-CH4二元混合物体系的悬浮纳米液滴的蒸发行为。模拟结果表明,当蒸发过程开始时,混合物纳米液滴的球形度迅速减小;之后,维持在一定的球形度数值上波动。在整个蒸发过程中,纳米液滴基本为球形;模拟温度越高、液滴初始直径越小,球形度越小;甲烷的摩尔分数对球形度的影响不大。在蒸发过程的初期,混合物纳米液滴的蒸发速率较大,且随模拟温度的升高而增大,随液滴初始直径和甲烷摩尔分数的增大而减小。随着蒸发时间的延长,蒸发速率先急剧减小;然后,再缓慢减小。气体空间内惰性组分的加入,并不影响混合物纳米液滴的蒸发速率。     

三维微管液滴形成及破碎的数值模拟

基于多相流模型的VOF方法求解三维坐标下微管末端液滴形成过程,参考丙三醇溶液,分别探讨不同表面张力、密度、射流速度下液滴形成过程,和液滴断裂长度、形成时间、主液滴直径受其影响情况,并分析断裂阶段轴线上压力和轴向速度分布。     

湍流分散系统中液滴尺寸的模拟与研究

在考虑分散相黏度对液滴破碎频率影响的基础上,进一步研究了分散相黏度对液滴聚并的影响.在液膜排液时间的计算式中,引入了分散相黏度,建立了新的液滴聚并频率的表达式.通过数值求解群体平衡方程,得出搅拌槽内液-液湍流分散系统的Sauter平均直径.与实验数据比较发现,改进模型可以较好地预测分散系统的Sauter平均直径,其结果优于Coulaloglou 和 Tavlarides模型.计算结果表明分散相黏度对液滴平均直径有着双重影响,抑制破碎,导致液滴直径增大;抑制聚并,从而导致液滴直径减小.     

十字交叉微通道内微液滴生成过程的数值模拟

采用VOF模型对十字交叉微通道内微液滴的生成进行三维数值模拟,获得了拉伸挤压、滴状剪切、单分散射流等单分散微液滴的生成机制以及紊乱射流、节状形变流、管状流和滑移流等两相流型,模拟与实验结果相吻合验证了模拟的有效性。液液两相流型主要受两相流速、两相界面张力以及连续相黏度的影响,发现随着连续相的流量增大,微液滴的生成尺寸减小,生成频率增大;而离散相流量的影响则相反。两相表面张力与连续相黏度分别在低连续相Ca数和高连续相Ca数条件下分别起主导作用。在低连续相Ca数(U_d<0.03 m·s^-1)的拉伸挤压和滴状剪切流流型下,微液滴生成尺寸随着表面张力系数的减小而减小,在射流条件下反而增大,微液滴的生成频率变化则相反。在高连续相Ca数(U_d>0.03 m·s^-1)下,微液滴的生成尺寸随着连续相黏度的增大而减小,微液滴的生成频率变化则相反。另外,壁面接触角在拉伸挤压流型下对微液滴生成无太大影响,但在滴状剪切和单分散射流流型下,接触角减小会导致微液滴无法稳定生成。     

水性单涂层工艺汽车面漆外观影响因素的研究

建立以黏度、膜厚、流平时间、旋杯转速、底材粗糙度、助剂和溶剂等分别为单一变量的实验设计方法，研究了水性单涂层白实色面漆外观的影响因素。结果表明，高黏度 35 s、50 μm以上的膜厚、 7 min以上的流平时间、旋杯转速 40 kr/min、添加二乙二醇丁醚和流平剂 BYK-345以及底材 粗糙度 Ra为 0. 145 μm时，漆膜的 LW最小， SW最小， DOI值最高，外观最佳，但需防止漆膜流挂弊病的发生。结合现场实际以及成本要求，水性单涂层汽车面漆采用中等黏度的喷涂黏度、适当的膜厚、 7 min左右的流平时间， 45 kr/min左右的旋杯转速，添加高沸点溶剂和流平剂以及选用粗糙度 Ra相对较低的电泳底材，可得到好的外观表现。     

脉冲筛板萃取塔CFD-PBM模型研究

脉冲筛板萃取塔是核工业等领域中最常用的萃取设备之一，为深入了解脉冲筛板萃取塔中两相流行为规律，使用CFD-PBM模型对脉冲筛板萃取塔中由有机相(30%TBP-正十二烷)、水相(HNO₃水溶液)组成的体系进行两相流过程模拟分析，模拟结果与实验数据吻合较好，分散相存留分数和Sauter平均液滴直径的相对偏差仅为8.28%和5.54%；随脉冲速度增加，Sauter平均液滴直径减小，液滴直径分布更均匀，分散相存留分数增加，特性速度减小；两相表观速度对液滴直径影响较小，分散相表观流速增加有利于提高分散相存留分数，而连续相表观流速影响不大；发生液泛时分散相液泛表观速度随连续相液泛表观速度增大而减小，随脉冲速度增加液泛通量先增后减，存在极值。     

高密度差体系中单液滴运动的数值模拟

采用VOSET方法捕捉液液两相运动界面,对高密度差体系中单液滴的运动进行数值模拟,分析不同时刻的表面图和流线图及瞬态速度变化图,研究了单液滴运动过程的速度变化及形变。研究结果表明：液滴形变随密度差和液滴粒径以及界面张力减小而变得剧烈;液滴上升速度随密度差和界面张力的增大而增大;液滴速度振荡幅度随粒径减小而减小;液滴形变的频率随界面张力增大或粒径减小而变小。     

液滴分布对稠油乳状液黏度影响的实验研究

采用聚焦光束反射测量仪对辽河油田稠油乳状液微粒进行"动态"监测,考察了含水率、搅拌转速和温度对稠油乳状液液滴粒径大小影响,定性分析了微观液滴分布对乳状液粘度的影响机理。结果表明,随着含水率的增大,乳状液体系中粒径显著增大,小液滴数量增大,体系黏度增大,当乳状液发生转相后,黏度大幅度降低,微观表现为小液滴数量增大,乳状液液滴平均直径增大;随着搅拌转速的增大,乳状液体系中粒径显著减小,小液滴数量增大,使得分散相更均匀的分散在连续相中,稠油乳状液黏度呈现下降的趋势;随着温度的升高,乳状液体系中粒径显著增大,小液滴数量增大,稠油乳状液液滴直径的增大,增大了体系液滴直径分布,导致乳状液体系黏度的降低。     

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。     

乳化条件对稠油乳状液黏度和稳定性的影响

表面活性剂的使用能够提高乳状液的稳定性并降低稠油的黏度。研究了两性表面活性剂CAB-35和有机碱TEOA的二元体系对稠油黏度和稳定性的影响,考察油水比、温度、搅拌速度对乳状液黏度和液滴平均粒径大小的影响。结果表明,当CAB-35质量分数为0.75%时乳状液黏度最小为17.79 mPa·s;添加TEOA可以提高稠油乳状液的稳定性,分水率达到11.3%,降黏率达到95.24%。随着油水比的增加,乳状液液滴粒径变小,黏度增大,乳状液更稳定。温度升高,乳状液液滴发生聚并,黏度减小,乳状液稳定性变差。随着搅拌速度的增加,能形成较小的液滴,黏度增大,乳状液稳定性增强。     

单液滴蒸发影响因素实验研究

设计了液滴蒸发实验装置,利用高速摄像系统记录高温气流中液滴蒸发过程,并根据实验的数据总结出液滴蒸发规律。在蒸发过程中,液滴蒸发首先经历一个非稳态初始加热阶段,然后液滴蒸发进入一个相对稳定的蒸发阶段,其直径变化基本遵循D2定律。气流温度越高,气流速度越大,液滴蒸发时间越短,液滴蒸发速度越快,但是气流速度对蒸发影响很小。随着液滴初始直径的增大,内部环流加强,液滴后部的尾涡加大,传质阻力减小,液滴的蒸发常数变大。     

撞击流内液滴碰撞后续发展行为

为了探索撞击流内液滴碰撞后续发展行为,设计搭建了由激光点光源和高速数码摄像机构成的高速数码摄像系统及气液两相撞击流实验平台。利用高速数码摄像系统记录下同轴对置气液两相撞击流中液滴碰撞导致的融合聚结或二次雾化过程,通过处理记录下的液滴运动过程图像,分析了进口液滴粒径、速度、黏度以及液滴碰撞角度等对撞击流中液滴碰撞结果的影响规律。结果表明：随着进口液滴粒径和速度的无限增大,液滴碰撞后最终发生炸裂;进口液滴黏度越小、表面张力越大、Ohnesorge数越小,液滴碰撞后越容易破碎;在本实验条件下,液滴同轴同向运动发生碰撞时,液滴碰撞后全部聚结,当液滴以一定角度发生斜碰时,碰撞后发生拉伸断裂,而当液滴同轴相向运动发生碰撞时,液滴碰撞后可能发生反射分离也可能炸裂。     

撞击流内液滴碰撞后续发展行为

为了探索撞击流内液滴碰撞后续发展行为,设计搭建了由激光点光源和高速数码摄像机构成的高速数码摄像系统及气液两相撞击流实验平台。利用高速数码摄像系统记录下同轴对置气液两相撞击流中液滴碰撞导致的融合聚结或二次雾化过程,通过处理记录下的液滴运动过程图像,分析了进口液滴粒径、速度、黏度以及液滴碰撞角度等对撞击流中液滴碰撞结果的影响规律。结果表明:随着进口液滴粒径和速度的无限增大,液滴碰撞后最终发生炸裂;进口液滴黏度越小、表面张力越大、Ohnesorge数越小,液滴碰撞后越容易破碎;在本实验条件下,液滴同轴同向运动发生碰撞时,液滴碰撞后全部聚结,当液滴以一定角度发生斜碰时,碰撞后发生拉伸断裂,而当液滴同轴相向运动发生碰撞时,液滴碰撞后可能发生反射分离也可能炸裂。     

液滴高速撞击固体板面过程的研究

以旋风分离器内的液滴运动情况为背景,对不同液滴撞击板面现象进行了实验研究,通过分析不同撞击速度下的铺展现象发现,初始撞击速度对铺展过程影响很大,且与飞溅参数密切相关,即高速撞击易发生飞溅现象;在液滴的铺展过程中粘性力与表面张力不断地克服惯性力作用,直至达到最大铺展直径并回缩.相同条件下的同一液滴,增加撞击速度铺展直径随之增大;对于不同液滴,在相同撞击速度下,粘性较小的液滴易于铺展,最大铺展直径较大.此外,在对所测数据分析后发现,文献中提到的液滴铺展直径与铺展时间之间的幂函数关系只有在低速撞击条件下(速度小于6 m/s)适用,而本文提出的指数函数能更好地预测液滴铺展直径与时间的关系.     

减少车身橘皮提高涂膜外观的工艺实践

通过调整喷涂工艺参数如油漆黏度、喷涂距离、湿碰湿喷涂闪干时间及流平时间等来减少由工艺参数不当引起的橘皮、涂膜失光发乌 另外,调整油漆流平及鲜映性等外观性来减少由油漆本身的外观性能不良产生的橘皮、涂膜失光发乌等问题,最终使车身涂膜外观得到改善。