液滴碰撞倾斜热壁面数值模拟研究

为了研究液滴碰撞复杂热壁面过程中液滴的铺展特性和传热特性,文中基于FTM(Front-Tracking Method)方法对液滴碰撞倾斜固体热壁面过程进行了模拟研究,通过改变壁面倾斜角度、表面张力系数σ,从压力场、流场、惯性力、表面张力等角度对换热现象进行分析和研究。结果表明:液滴撞击倾斜壁面时,在液滴下滑方向一侧三相点处热流密度取得最大值;壁面倾斜角度越大,液滴铺展程度越低,传热减弱;σ影响液滴中后期的铺展特性,σ越大液滴最大铺展系数越小,且回缩越迅速;由于传热大部分发生在液滴碰撞壁面初期铺展阶段,所以σ对液滴与壁面间传热特性影响较小。     

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。     

柴油液滴撞击壁面运动形态及变化历程的实验研究

液滴碰壁是液体射流过程中的重要现象,对喷雾效果有重要影响。采用高速摄影方法对柴油液滴撞击壁面的运动形态及变化历程进行了研究;根据获取的撞击壁面后不同时刻液滴的运动形态和参数,对液滴撞击壁面的运动过程、铺展运动无量纲润湿长度的变化历程、飞溅运动发生的临界撞击速度以及壁面材料对液滴撞击壁面运动的影响等进行了分析。通过研究,获得了柴油液滴撞击壁面时的运动特性及规律。     

液滴间相互碰撞融合与破碎的实验研究

液滴间的相互碰撞对发动机液体燃料雾化、燃烧效率及颗粒物排放的减少均有重要影响;为了探究液滴间相互碰撞后的液滴融合与破碎过程,采用高速摄影技术对液滴间相互碰撞的融合过程、融合振荡无量纲宽长比变化历程、破碎过程以及液体物性参数对碰撞破碎的影响进行了分析。结果表明,液滴间相互碰撞后主要呈现融合振荡与破碎两种运动形态;对融合振荡形态而言,两液滴间的碰撞速度及初始无量纲尺寸比越大,融合后液滴振荡的宽长比的最大值越大;对破碎形态而言,两液滴间的碰撞速度越大、初始无量纲尺寸比越小以及大液滴的表面张力越小,液滴发生破碎的时刻越小。研究结果可以为改善发动机缸内雾化,增大气/液间的接触面积,强化气/液间传热传质提供理论依据。     

液滴撞击不同浸润性壁面动态过程的数值模拟

采用VOF方法模拟了液滴以相同速度撞击到接触角分别为63°、90°、118°和160°的固体壁面上的形态演变过程。结果表明:固壁的亲憎水性对液滴撞击表面后形态的演化有较大影响,亲水壁面有利于液滴的铺展,在接触角为90°的壁面上液滴部分反弹,而当接触角为160°时,液滴完全反弹;当三相接触线开始回缩时,中心液体的表层部分在惯性力的作用下继续向铺展的液滴边缘聚集,导致近中心处液膜逐渐减薄至断裂,最终形成边缘较厚的液环;同时,液滴最大铺展系数随壁面接触角的增大而减小,达到最大铺展系数的时间也相应缩短。     

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。     

大液滴撞击结冰传热过程及介质阻挡放电除冰实验研究

对大液滴撞击过冷壁面结冰的传热和相变过程进行了实验研究,采用高速成像技术与红外测温成像技术对液滴撞击不同温度过冷壁面时的动态过程进行拍摄记录。另外提出一种新的除冰方式,利用高频纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励器进行了除冰的实验验证,并进行了热力学分析。实验结果表明：壁面温度的变化对液滴铺展过程影响较小,最大铺展系数几乎不变,但对液滴收缩与振荡过程以及最终结冰冰形有较大的影响;结冰从液滴底层开始,壁面温度越低,液滴与过冷壁面温差越大,底层液滴结冰更快,而上层液膜经过回缩、振荡之后,液膜厚度更薄,结冰相变所需时间也更短;利用高频纳秒脉冲介质阻挡放电除冰效果显著,其放电区域作用相当于是一个“热源”且根据其作用方式的不同,除冰过程可分为两个阶段。     

大液滴撞击结冰传热过程及介质阻挡放电除冰实验研究

对大液滴撞击过冷壁面结冰的传热和相变过程进行了实验研究,采用高速成像技术与红外测温成像技术对液滴撞击不同温度过冷壁面时的动态过程进行拍摄记录。另外提出一种新的除冰方式,利用高频纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励器进行了除冰的实验验证,并进行了热力学分析。实验结果表明:壁面温度的变化对液滴铺展过程影响较小,最大铺展系数几乎不变,但对液滴收缩与振荡过程以及最终结冰冰形有较大的影响;结冰从液滴底层开始,壁面温度越低,液滴与过冷壁面温差越大,底层液滴结冰更快,而上层液膜经过回缩、振荡之后,液膜厚度更薄,结冰相变所需时间也更短;利用高频纳秒脉冲介质阻挡放电除冰效果显著,其放电区域作用相当于是一个"热源",且根据其作用方式的不同,除冰过程可分为两个阶段。     

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。     

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。     

圆柱壁面上液滴凝固相变对其运动行为的影响

采用CLSVOF耦合焓-多孔介质方法对单液滴撞击低温光滑圆柱壁面的现象进行数值模拟研究,揭示了壁面温度、壁面浸润性和液滴撞击速度等因素对液滴撞击低温光滑圆形壁面后动力学行为及相变特性的影响,研究中主要关注两个重要参数的变化规律:液膜高度变化和液滴对壁面的润湿特性。研究表明:提高壁面疏水性能可有效减小液滴碰撞圆柱的铺展润湿面积,从而减小冻结面积,降低结冰的危害程度;由于圆柱壁面的曲率作用,液滴撞击疏水圆柱壁面会出现液膜断裂,但在极低温度下,可抑制液膜在圆形壁面上的分裂,导致液膜在壁面上的铺展面积有所增加,防结冰性能下降。     

液滴碰撞球形凹曲面复合level set-VOF法的数值分析

采用复合水平集法和流体体积法建立液滴冲击球形凹曲面的数值模型,通过分析计算结果揭示了液滴撞壁流动及破碎机制。研究表明:液滴的撞壁特性与液滴碰撞速度密切相关;液滴凹曲面撞壁与平面撞壁相比,铺展系数较小,回弹射流出现时间超前,回弹射流速度较大。量纲1分析得出:液滴的最大铺展系数和相对最大铺展速度与Reynolds数近似幂递增,液滴的相对最大射流长度与Reynolds数近似对数递增,液滴的相对最大射流速度与Reynolds数近似幂递减。对比分析现有液滴撞壁最大铺展系数理论解析模型,提出了液滴凹曲面撞壁最大铺展系数解析模型的发展方向。     

圆柱壁面上液滴凝固相变对其运动行为的影响

采用CLSVOF耦合焓-多孔介质方法对单液滴撞击低温光滑圆柱壁面的现象进行数值模拟研究，揭示了壁面温度、壁面浸润性和液滴撞击速度等因素对液滴撞击低温光滑圆形壁面后动力学行为及相变特性的影响，研究中主要关注两个重要参数的变化规律：液膜高度变化和液滴对壁面的润湿特性。研究表明：提高壁面疏水性能可有效减小液滴碰撞圆柱的铺展润湿面积，从而减小冻结面积，降低结冰的危害程度；由于圆柱壁面的曲率作用，液滴撞击疏水圆柱壁面会出现液膜断裂，但在极低温度下，可抑制液膜在圆形壁面上的分裂，导致液膜在壁面上的铺展面积有所增加，防结冰性能下降。     

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。     

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。     

高温含油热解气的冷凝特性研究

为了揭示焦油在换热器中的冷凝传热过程,基于Euler Wall Film(EWF)模型对热解气在冷凝管内的冷凝过程进行了模拟。此外,基于实验数据对上述冷凝模型进行验证。研究结果表明:采用EWF模型模拟计算的结果与实验数据吻合良好;当热解气入口速度从2 m/s增加至3.5 m/s时,沿冷凝壁面液膜速度增大,液膜厚度减小了25%,平均热流密度增大了23%;当热解气入口温度从530 K增加至620 K时,沿冷凝壁面液膜厚度增大了26%,平均热流密度增大了21%;当冷却水的温度从295 K增加至325 K时,沿冷凝壁面液膜厚度减小了32%,平均热流密度减小了30%。研究结果对焦油换热器结构设计与操作指导具有一定的参考价值。     

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。     

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。     

液滴撞击平板的铺展特征

采用高速摄像仪研究了液滴在不同韦伯数和撞击角下撞击干燥平板时的铺展行为.结果表明,当撞击角相同时,韦伯数越小,液滴最大横向铺展直径也越小;韦伯数相同,撞击角越大,液滴横向铺展直径越大;在铺展和回缩过程中,环形液层外圈相对于内圈在达到横向最大铺展直径时具有滞后现象.