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。     

菠菜叶面溴氰菊酯液滴的叠加凝并过程与施药效果

[目的]探究溴氰菊酯药液液滴在菠菜叶片表面的叠加凝并过程及其对施药效果的影响。[方法]采用光学接触角测量仪测量溴氰菊酯液滴的表面张力、液滴叠加前后动态接触角及铺展直径等润湿参数。[结果]溴氰菊酯乳油稀释400倍后药液液滴的表面张力为39.63 m N/m;当液滴高度为8 mm,液滴撞击速度为0.073 m/s时,菠菜叶面等体积(4～6μL)液滴在垂直方向叠加碰撞会出现3种行为:即单方向撞击相邻液滴凝并,中间间隙撞击相邻液滴凝并,单方向撞击相邻液滴不凝并;前2种叠加凝并成新液滴后接触角均减小,减幅在34.69%～40.5%范围内,而后者叠加凝并形成的新液滴,其接触角增大,增幅在6.47%～14.2%;当相邻液滴间距L≤0.69 mm时,液滴单方向撞击会与相邻液滴凝并,当相邻液滴间距L≥0.77 mm时,液滴单方向撞击不会与相邻液滴凝并。[结论]中间间隙撞击相邻液滴凝并行为是3种叠加凝并行为中铺展直径增幅最大的,增幅达到152.09%,其施药效果优于另外2种叠加凝并行为。     

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。     

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.     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测，对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性，同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明：与液滴撞击普通冷表面（温度-25~-5℃）发生瞬时冻结沉积相比，液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结，而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为；撞击速度越大，普通冷表面上液滴铺展因子越大，而且液滴越易冻结。液滴低速（We≤76）撞击超疏水冷表面会发生反弹现象，但速度对液滴最大铺展时间无影响；液滴高速（We≥115）撞击超疏水冷表面后会产生明显液指，而且破碎为多组卫星液滴。此外，冷表面温度仅影响液滴反弹高度，对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测,对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性,同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明:与液滴撞击普通冷表面(温度-25~-5℃)发生瞬时冻结沉积相比,液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结,而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为;撞击速度越大,普通冷表面上液滴铺展因子越大,而且液滴越易冻结。液滴低速(We≤76)撞击超疏水冷表面会发生反弹现象,但速度对液滴最大铺展时间无影响;液滴高速(We≥115)撞击超疏水冷表面后会产生明显液指,而且破碎为多组卫星液滴。此外,冷表面温度仅影响液滴反弹高度,对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

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。     

水滴与聚氧化乙烯液滴撞击荷叶表面的实验对比分析

为探究荷叶表面的液滴撞击行为规律,本文利用高速摄像机以14000帧/秒的帧率分别记录水滴和4种不同相对分子质量的聚氧化乙烯（polyethylene oxide,PEO）水溶液液滴竖直撞击荷叶表面的动力过程,其撞击速度为0.3~3m/s。实验结果表明,水滴与低相对分子质量（5×10⁴）的PEO液滴撞击荷叶表面的行为现象相似,两者随撞击速度增加依次有规则反弹、向上发射卫星液滴、不规则反弹（或部分反弹）、液滴破碎和液指断裂分离小液滴等现象发生,但水滴的接触时间更短,最大铺展系数也更小。中等相对分子质量（3×10⁵）PEO液滴在低速和高速撞击时分别为振荡弹起模态和振荡模态,临界速度为1.13m/s。高相对分子质量（1×10⁶、4×10⁶）的PEO液滴,其高分子长链与表面交互作用显著增强,表现出很强的黏性,撞击后反弹完全被抑制,均黏附沉积于荷叶表面;液滴发生沉积的临界Oh数为0.0544,且Oh数越大,液滴越难发生反弹。速度一定时,相对分子质量3×10⁵以上的3种PEO液滴的最大铺展系数均小于水滴;三者的上升系数随速度增加先减小后保持基本稳定或略微增加。     

撞击速度对连续液滴撞击热圆柱壁面局部传热特性影响的实验

借助高速摄像机捕获连续液滴撞击热圆柱壁面后的动力学行为,通过直接测试与数值计算方法相结合,获得了不同撞击速度下沿周向和轴向的局部对流传热特性。结果表明,当液滴撞击速度较小,液膜未发生飞溅时,由于圆柱面的各向异性,沿轴向的对流传热系数单调减小,而沿周向,对流传热系数先减小后略有增大;根据对流传热系数沿周向的变化,将圆周划分为撞击区域、热扩散区域和尾部脱离区域;增大液滴撞击速度主要提高撞击区域和热扩散区域的对流传热系数,而对尾部脱离区域对流传热系数的影响并不明显。当液滴撞击速度超过某一临界值(在本文的实验条件下约为1.53 m/s)时,液膜发生飞溅,此时继续增大撞击速度,壁温的降低不再明显。     

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。     

催化蒸馏元件的流体力学性能

采用内径为206 mm的有机玻璃塔,在常温常压条件下,以空气和水为介质,对一种新型的反应液渗流式催化蒸馏元件进体力学实验研究,并研究了气相流通截面分率和固体催化剂在元件内装填高度对流体力学参数的影响;利用最小二乘法回归实验数据得到了床层压降、动持液量及泛点气速的预测关联式,各关联式误差均在±4.5%以内,可作为工业设计的参考依据。     

Wetting of AlN and TiC by Liquid Ag and Liquid Cu

The wetting of AlN and TiC by liquid Ag and liquid Cu was investigated by the sessile drop technique at 10⁻⁶ torr or less. An empirical relation was established between the cosine of the contact angle and the temperature or surface tension of the liquid drop. The critical surface tension for spreading and its physical significance are discussed. A method for estimating the surface energies of ceramics is proposed. The surface tension of TiC is estimated to be 1242±158 dynes/cm and that of AlN 990±110 dynes/cm. The surface tension of liquid Ag followed the equation γ _Lv (Ag) (dynes/cm) = 1092–0.14T (°C) and that of liquid Cu γ _LV (Cu) (dynes/cm) = 1462–0.27T (°C).     

表面张力对自由落体液滴形变的影响

液滴运动过程中的形状变化对液滴的蒸发、燃烧等过程有重要影响,表面张力是影响其形状变化的因素之一。为研究表面张力对液滴形变的影响规律,采用低浓度的表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠SDBS)配制表面张力为30~72mN·m^-1的水溶液。利用不同外径的针管得到3~5mm粒径的液滴。高速摄像机(PhantomV211,1000pps,800×600pixel)对这些液滴在自由落体过程中的形变规律进行了可视化实验研究,得到了关于Eötvös数(Eo)的半经验关系式。实验结果表明,液滴在自由落体过程中会形成周期性振动形变,振动周期和振幅随表面张力增大而减小。进一步研究发现,初始时液滴形成并断裂所引起的瞬态冲量使液滴内部动量传递进而表现出周期性振动形变。     

Evaporation and Energy Transfer for a Partially Molten, Laser-Heated Sapphire Filament

Molten regions were formed on 0.025-cm-diameter sapphire filaments that were heated from one side with a continuouswave CO₂ laser beam in a low-pressure flow reactor. As the laser intensity was increased, the liquid/solid interface moved from the laser-heated edge to the opposite edge of the filament, the apparent temperature measured in the molten region with an optical pyrometer increased from 1470 ± 25 to 2040 ± 30 K, and the filament evaporation rate increased by a factor of 1.6. This change in apparent temperature resulted from an increase in the spectral emittance with the liquid layer thickness. The change in evaporation rate resulted from a 1.09 times larger evaporating area, a 1.24 ± 0.09 times larger evaporation coefficient, and a 10 ± 5 K larger average temperature when the filament cross section was completely liquid than when liquid first formed on the solid filament. Optical and energy-transfer properties of sapphire and liquid Al₂O₃ were calculated from optical pyrometry, energy-balance measurements, and spectral absorption coefficient data for sapphire. At the melting temperature, the total emittance is approximately 0.051 and 0.31 ± 0.03 for the solid sapphire and liquid aluminum oxide filaments, respectively. The thermal accommodation coefficient for Ar atoms is 0.53 ± 0.07 on the solid and approximately unity on the liquid. The spectral absorption coefficient, kλ, at the optical pyrometer wavelength (0.665 μm) is 0.1 ± 0.04 cm⁻¹ for the solid and 12 ± 12 cm⁻¹ for the liquid. This value of kλ for solid sapphire at the melting point is 12 times that of pure, void-free material and reflects the influence of impurities and small voids in the sapphire filaments that were used.     

关于双层不锈钢网波填料的流体力学和传质特性的探讨

网波填料是一种新型、高效的规则填料。使用双层不锈钢网具有良好的可润湿性和整个填料表面均匀的液体分布,因而即使对于像水之类表面张力大的液体,在低的液体负荷下,分离效率也能显著增加。 在内径10cm的塔,填料高度200cm和塔顶压力约125Torr的情况下,进行了D_2O/H_2O体系真空精馏试验。本文使用测得的数据,获得了该填料压力降和传质的良好关联。     

Pressure drops in gas—liquid flow in a 15 cm reciprocating platecolumn

Time-averaged pressure drops have been measured in a 15 cm internal diameter reciprocating plate column, using the water/air system under conditions of cocurrent, countercurrent and single phase (water) flow. The reciprocation frequency was varied from 1 to 4 Hz, while the stroke (peak to trough amplitude) was set at 2.54 cm. Two types of perforated plate were used, having perforation diameters 14.3 and 6.35 mm. Under single phase flow conditions, the pressure drops were in agreement with an earlier model due to Noh and Baird (1984). Under cocurrent conditions the gas flow had the effect of increasing the pressure drop, particularly at low reciprocation rates; this was interpreted in terms of enhanced circulation velocities in the liquid phase. In countercurrent flow the pressure drop was also affected by bubbles clustering at the plates.     

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。     

封堵高温裂隙的水泥基泡沫流体耐热性研究

煤岩体受热破坏形成的高温煤岩裂隙是煤田火区演化和蔓延的主要成因.水泥基泡沫流体作为一种新型的高温煤裂隙防控材料,其泡沫流体的耐热特性是其重要的技术参数.基于自制泡沫流体隔热性能测试系统,测试了不同支架高度(2 cm、7 cm、12 cm、17 cm、22 cm)和不同喷注厚度(20 mm、40 mm、60 mm、80 mm)情况下水泥基泡沫流体的隔热特性,得出随着测试时间的增加,20~80 mm各个喷注厚度的新鲜泡沫流体冷面温度都增加,在测试时间为0~90 s以内,温升曲线斜率较大;隔热温度空间分布整体在一个曲面上,进而拟合得到了隔热温度、喷注厚度、热面温度三者之间的关系式.受热情况下泡孔液膜微观形态变化表征显示泡沫流体在200 ℃出现失稳定,并从表面张力、液膜基质粘度、自由水含量三个方面分析了受热对液膜排液速度的影响.     

Alteration of the Surface Energy of Wood Using Lignin-(1-Phenylethene) Graft Copolymers

Graft copolymers of lignin, made by free radical graft copolymerization of 1-phenylethene on lignin, increased the contact angle of water on birch wood (Betula papyrifera) and decreased the critical surface tension of the wood when coated onto the wood surface from an N, N-dimethylformamide solution. The coating of copolymer changed the wood from hydrophilic (～50°) to hydrophobic (110°).

The most pronounced change in contact angle was produced by benzene-soluble extracts of the reaction product. These extracts contained lignin with long poly(1-phenylethylene) sidechains and pure poly(1-phenylethylene). They produced surfaces with the numerically highest contact angles with water and changed the wetting behavior of the surface more than physical mixtures of lignin and poly(1-phenylethylene) or either of the pure polymers.

Despite coating weights of less than 100 mg/cm, the critical surface tension of the birch wood coated with the various lignin-(1-phenylethylene) graft copolymers ranged from 26.9 to 44.9 dynes/cm while the uncoated birch had a critical surface tension of 49.6 dynes/cm.     

共轭环翅填料的流体力学与传质性能

以正犁削金属表面翅成形技术加工出共轭环翅填料,用富氧水解吸方法测定了38 mm铝材共轭环翅填料的流体力学和传质性能,并在相同喷淋密度和气速条件下,与同尺寸光滑表面的共轭环填料进行比较。结果表示,共轭环翅填料的单位填料高度压降比普通共轭环填料平均增加15.2%,而传质单元高度则平均降低18.3%;在中等喷淋密度60 m3/(m2.h)以下,共轭环翅填料具有较好的综合性能。