介质上电润湿液滴动力学特性的数值模拟研究

在考虑动态接触角的条件下,对液滴在介质上电润湿过程的动力学行为特性进行了数值模拟研究,其中电润湿作用通过在接触线上施加电场作用力实现,动态接触角采用Kilster模型。结果表明:电润湿液滴在类似阻尼振荡的过程中逐渐停止运动,并且出现了"过度润湿"现象;另外,液滴运动时的动态接触角明显偏离静态平衡接触角,表明电润湿液滴动力学数学模型考虑动态接触角的必要性。     

Bond数变化对固壁液滴接触角的影响

本文利用微重力落塔实验研究了Bond数改变时,PTFE和铝板表面上正滴和倒滴接触角的动态变化。实验发现液滴接触角与Bond数的大小有关,当Bond数趋于0时,还与其放置状态有关。本文采用VOF方法对Bond数变化引起的液滴形状及内部流动变化进行二维数值模拟,结果显示液滴内部的流动控制着液滴的外形和接触角。     

带凹槽的微通道中液滴运动数值模拟

运用改进的耗散粒子动力学方法模拟了液滴在由凹槽所构成的粗糙表面微通道内的运动行为.改进的耗散粒子动力学方法采用新近提出的一种短程排斥、长程吸引相互作用势能函数,从而可以模拟带有自由面的流体,如液滴等.模拟了新势能函数下液滴与固体壁面的静态接触角,并用2次多项式拟合了"接触角-a_wf/a_f"变化曲线.研究了液滴在带凹槽的微通道中运动时,微通道壁面浸润性、外场力、液滴温度对液滴流动特性的影响.研究表明壁面浸润性和外场力对液滴流动特性的影响较大,液滴温度对液滴流动特性的影响较小.研究结果对运用耗散粒子动力学方法模拟并分析微流体在复杂微通道的流动有一定的参考价值.     

润湿性梯度驱动液滴运动的格子Boltzmann模拟

运用考虑了固体与液体间分子作用力的格子Boltzmann方法,数值研究了由于固液界面上表面张力梯度引起的Marangoni效应驱动的液滴运动.当表面张力梯度较小时,计算结果和前人的理论预测符合较好.而表面张力梯度较大时,由于液滴不变形和准平衡态等假设不再满足,理论预测的液滴运动速度高于数值模拟的结果.计算结果显示,在向亲水端运动过程中液滴内部出现旋涡结构,当润湿性梯度较大时,其前进速度和接触角随时间变化出现振荡.     

极坐标下Marangoni应力对静止液滴蒸发过程的影响

通过推导液滴在蒸发过程中,边界是否考虑Marangoni应力作用时,其内部流场分布的极坐标解析式,并结合相应的球冠液滴模型,来描述液滴内部的流线分布情况,以及液滴在受到Marangoni应力作用时,极坐标下ρcosα=常数处速度随液滴高度的分布规律。并分别使用实验与数值模拟结果与解析结果进行对比,从而说明解析式的正确性。同时从液滴的流线的分布得出:液滴在蒸发过程中,其内部的流动速率在三相界面处最大,在靠近基板的中心处最小。受Marangoni应力作用的影响,液滴内部在其对称面上产生了环流,其方向在液滴底部是从液滴中心流向三相界面的,同时也说明了Marangoni对流可以抑制"咖啡环"效应。     

润湿性梯度驱动液滴运动的格子Boltzmann模拟

运用考虑了固体与液体间分子作用力的格子Boltzmann方法,数值研究了由于固液界面上表面张力梯度引起的Marangoni效应驱动的液滴运动.当表面张力梯度较小时,计算结果和前人的理论预测符合较好.而表面张力梯度较大时,由于液滴不变形和准平衡态等假设不再满足,理论预测的液滴运动速度高于数值模拟的结果.计算结果显示,在向亲水端运动过程中液滴内部出现旋涡结构,当润湿性梯度较大时,其前进速度和接触角随时间变化出现振荡. 关键词： 润湿性 格子Boltzmann方法 Marangoni效应 液滴     

竖直表面液滴运动的数值模拟

为研究具有不同润湿特性的表面上液滴运动的规律,本文依据液滴接触角与基底方位角的关系以及运动液滴的动态接触角模型,运用Fluent软件,实现了对竖直表面上静止和运动液滴的数值模拟,得到了液滴的形貌以及内部的速度分布。模拟所得竖直表面上静止液滴和运动液滴的接触角和形貌均与实验结果吻合较好。液滴内部速度分布表明,裸铝表面(亲水)上液滴的运动方式为滑动;114°疏水表面上的液滴内部出现不完整的环流,但仍然以滑动运动为主;而145°疏水表面上液滴以滚动方式向下运动,液滴运动较快。     

液滴撞击超疏水碳纳米管阵列表面的行为研究

实验研究了不同韦伯数(We)时液滴碰撞碳纳米管阵列表面的动态过程行为,并借助改进的水平集方法对液滴碰撞过程进行了数值模拟。模拟过程中,分别引入了接触角动态变化的Kistler模型和Blake模型,并就液滴铺展因子和顶点高度等方面将模拟与实验结果进行了对比分析。结果表明:在We=1.4～110范围内液滴碰撞都经历了相似的铺展-收缩-弹跳过程,不同We时模拟和实验结果都比较接近;在液滴铺展阶段,依据Kistler模型的模拟结果与实验值更接近,而在收缩阶段,依据Blake模型的模拟结果与实验值更加吻合.综合考虑后发现Blake模型与实验值的偏差较Kistler模型在整体上更小,细节吻合较好,验证了模型的可靠性。     

振荡液滴内部流态

在外界来流作用下,液滴在固体表面上呈现周期性振荡特性.利用数值方法模拟平板上二维液滴在气流剪切作用下的界面及内部流动特性,重构二维液滴内部流场,着重认识液滴内部速度分布和压力分布.     

悬垂液滴受迫振动的数值模拟与实验研究

利用有限元法进行数值模拟,研究了悬垂在针尖上的液滴在二阶模态下的振动情况.结果表明,悬垂液滴的固有振动频率与失重下自由液滴的固有振动频率间存在线性关系,该线性关系与液体的表面张力系数、液体的密度和针直径有关,与液体的黏度和"表面张力系数密度之比"无关;在声场的激励下,液滴的位移共振曲线与受迫振动的标准速度共振曲线在形状上一致,并且阻尼系数与黏度、表面张力系数、针直径呈正相关,而与密度、"表面张力系数与密度之比"呈负相关.最后以水为例将模拟结果与实验数据做了对比,两者符合得很好.     

前进接触线薄液膜结构与运移机制

气-液-固三相接触线薄液膜微观结构认识不清使得动态接触角预测问题始终存在争议.本文通过大规模分子动力学模拟研究液滴动态润湿过程,获得了完全浸润液滴前进接触线区域的前驱液膜结构、部分浸润液滴前进接触线区域的纳米级凸起结构.首次在模拟中获得了微观接触角与宏观接触角随时间的动态演变规律.分子轨迹追踪揭示了接触线薄液膜区域流体在固体表面摩擦作用下,随速度增大从滑动为主向滚动为主的模式转变,进而在底层出现气体裹挟导致滑移、发生溅射的机制.本研究为进一步构建普适的动态接触角预测模型提供了关键物理依据.     

液滴撞击等温固体平壁的数值模拟

建立了液滴撞击等温固体平壁的物理和数学模型,数值模拟了撞击后液滴的变形和反弹过程,将模拟结果与文献中的实验结果做了比较,两者吻合较好,表明所采用的模型可以模拟液滴在水平壁面上的运动形态.通过比较不同条件下铺展因素随时间的变化规律,分析了液滴碰撞速度、初始接触角对变形过程的影响.     

超疏水聚合物表面的水滴蒸发模拟

基于质量守恒和Fick第一定律，模拟了水滴在超疏水聚合物表面的蒸发全过程．研究从以往的接触角<90±扩展到>150±，液滴形貌扩展为椭球球帽模型进行疏水表面蒸发模拟．水滴在超疏水PC和FPU/PMMA表面蒸发的实验结果显示，计算的椭球球帽模型可以更好的反映出液滴接触角和高度的变化情况，并且不同聚合物表面接触角的相同变化趋势也揭示出微-纳二级结构表面结构不仅影响液滴接触角，也影响液滴蒸发模式．     

固定接触角蒸发液滴内Marangoni对流数值模拟

考虑蒸发冷却效应、气相物质扩散、气液两相传热及界面变形,采用任意拉格朗日-欧拉法数值模拟研究了接触角θ、蒸发数Ec、Ma数对0.65cSt,硅油液滴固定接触角模型蒸发及Marangoni对流的影响。发现:液滴无量纲体积V~*变化与接触角θ、Ma数有关,而与Ec数无关;且V~(*2/3)随时间线性减少。当θ0.175 rad时,随着Ma数的升高,液滴内部依次出现热毛细涡流结构、单个BM涡流结构及多个BM涡流结构。当0.175 radθ0.479 rad时,存在热毛细涡流结构或多个BM涡流结构或两种同时存在,而无单个BM涡流结构。当θ0.479 rad时,仅存在热毛细涡流结构。当0.105 radθ0.401 rad时,每两种涡流结构的分界Ma数均随θ增大而减少。当θ0.401 rad时,热毛细涡流结构与多个BM涡流结构的分界Ma数随θ增大而增大。     

D型平板绕流尾迹流场测试与POD分析

以D型平板为研究对象,运用激光多普勒测速(LDA)与粒子成像测速(PIV)技术,开展了雷诺数ReD=3×10~3～4×10~4、弦厚比L/D=1～8之间的D型平板绕流尾迹流场量测与分析。利用本征正交分解(POD)法对尾迹流场进行模态分解,提取其中能量占比较高的前几阶模态,以探究雷诺数与弦厚比对D型平板绕流尾迹结构的影响。试验结果表明:St数随雷诺数的变化可分为"下降区"、"过渡区"和"动态稳定区"三个区域,在"动态稳定区"随着雷诺数增大St数趋向于0.245;St数随弦厚比的变化呈"条带状"分布在0.23～0.26之间。与其它方案相比,弦厚比L/D=1、雷诺数Re_D=5×10~3时,前两阶模态中旋涡结构的空间分布形态存在明显差异。雷诺数Re_D=4×10~4时,绕流尾迹受弦厚比影响较小,流动处于一种大尺度旋涡结构占主导地位的状态。     

不同工况下旋流液雾燃烧的直接数值模拟

采用有限差分方法对不同工况下三维旋流液雾燃烧进行了直接数值模拟,其中液滴的跟踪在拉格朗日框架中进行,液滴的蒸发相变采用无限热传导蒸发模型描述,气相燃烧采用自适应单步反应机理,模拟中采用的模型燃烧器尽可能逼近真实的燃气轮机旋流燃烧器.结果发现,旋流液雾燃烧流动和火焰结构受到旋流方式和当量比的影响,流场中出现了反平行排列的...     

液滴振荡模型及与数值模拟的对比

由于碰撞壁面后液滴内部流动的复杂性, 以及气-液-固三相间的相互作用, 对液滴碰撞壁面形态变化的数学理论研究有较大的难度, 因此所见者多为实验和数值模拟. 本文通过对液滴受力状态的分析, 得到了惯性力、黏性力和表面张力带经验系数的表达式, 并进一步建立了液滴碰撞壁面振荡模型, 得到了液滴铺展半径的振荡表达式, 以及表面张力、黏性系数等参数对液滴铺展的影响. 最后通过与液滴衰减振荡数值模拟结果的对比, 确定了液滴振荡模型中的修正系数, 验证了模型的可行性. 关键词： 液滴碰撞 振荡 铺展半径/高度 数值模拟     

冷凝器滴状冷凝的动态描述及接触角的选择

从化学势变化的角度对液滴的冷凝过程进行了动态描述;给出了实现持续的Brown凝并的条件;结合冷凝器壁面液滴的脱落半径与接触角的关系,求出了滴状冷凝时液滴接触角的最优选择范围. 关键词： 化学势 临界体积 Brown凝并 接触角脱落半径     

基于改进格子Boltzmann焓法模型的液滴凝固数值研究

为了研究不同冷壁面特性上液滴的结晶过程以及凝固速率的规律,利用通过加入对流换热和辐射换热项,使用固相体积分数修正流场的改进的焓-LB方法,使得模型模拟的结果更加精确.分析了液滴在6种不同的壁面特性下,凝固过程平均固相体积分数随时间的变化.分析了凝固后接触角及接触面积与半径的比值随亲疏水性不同的变化.结果表明:壁面的亲水性越好,液滴凝固成核后与壁面的接触角越小,接触面积与半径之间的比值越大;反之,壁面的疏水性越好,液滴凝固成核后与壁面的接触角越大,接触面积与半径之间的比值越小.在超疏水表面存在粗糙元间距较大时,凝固速率最慢,且与粗糙元的接触面积较小,有利于抑霜除霜.     

受热基底上的液滴铺展及换热特性

液滴在受热基底上的铺展特征将直接影响其传热特性.基于润滑理论建立了单液滴在受热基底上的演化模型,模拟了壁温均匀和自中心向两侧呈指数规律衰减两种情形下液滴的铺展历程,提出了一种针对二维液滴表面热流密度和传热量的计算方法,借助该方法分析了液滴铺展特征及外部对流换热条件对传热特性的影响,所得结果与已有文献有较好的一致性.结果表明:当壁温均匀时,液滴在重力驱动下呈现具有"单峰"结构的对称铺展特征,表面热流密度由两侧向中心递减;液滴表面积随时间小幅增大,传热能力有所增强.当壁温自中心向两侧呈指数规律衰减时,液滴铺展明显呈现三个阶段特征,厚度剖面由"单峰"结构渐变为"双峰"结构,且"双峰"峰值随时间先增大后减小,该变化源于重力和热毛细力的复杂博弈及在演化过程中的交替主导地位;液滴中心处热流密度不断增大,"双峰"处热流密度则持续减小;接触线处热流密度相比邻近有一明显跃升;液滴表面积随时间显著增大,传热能力有效提高.增强外部对流换热条件虽将减缓液滴铺展过程,抑制其表面积增大,但总体上有利于提高其传热能力,且随时间增长,该现象愈加显著;增大毕渥数使液滴动态接触角及接触线移动速率的变化发生延迟,但并不改变其总体特征.