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。     

乙醇水溶液单液滴碰撞热壁面的动态演化特性

乙醇添加剂能显著改变去离子水基液滴碰壁动态特性。本文设计并搭建了液滴碰壁动态演化及传热研究实验台,并就溶液表面张力、液滴韦伯数（We）、壁面温度等对液滴碰壁的特性影响进行了实验研究。结果表明乙醇添加剂能够有效增强液滴润湿特性,促进液滴的雾化和破碎现象,同时抑制液滴反弹能力。并且这一能力随着乙醇溶液浓度的增大而增强。润湿特性随着液滴We的增大呈现出先增强后发生反弹现象的趋势,乙醇添加剂能够有效地抑制这种反弹趋势,并使混合液滴继续发生铺展现象。壁面温度125℃时,当We由15增大到33时,水基液由铺展阶段过渡到反弹阶段,而添加乙醇使得液滴继续铺展,没有发生反弹现象。乙醇添加剂能够明显地提高液滴由铺展到反弹的临界转变温度（T_CHF）,扩大液滴核态沸腾对应的温度区域,延迟液滴进入过渡沸腾阶段。     

速度对液滴撞击超疏水壁面行为特性的影响

通过可视化实验研究了直径为2.58 mm的液滴在不同速度下撞击静态接触角为156°超疏水壁面后的运动特性,其液滴Weber数在8~310之间。实验利用光学原理在同一画面上同时记录了液滴撞击壁面过程的正面及底面图像。实验结果表明:液滴撞击壁面的速度对液滴的前进角、后退角,三相接触线的速度以及液滴反弹后的空中运动特性都有较大的影响;液滴高速撞击超疏水壁面后会产生明显的液指及多组卫星液滴,回缩阶段相邻的液指发生聚并直至液滴完全回缩。     

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。     

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。     

周向多入口凹壁面切向射流流动特性分析

为了探究三维凹壁面切向射流周向入口数量对流场的影响,选取Realizable k-ε模型,并使用非平衡壁面函数处理近壁面湍流流动,数值模拟了周向多入口流场的流动特性。流场研究表明,随着入口数量增加,前入口对后入口流动参数的叠加先增强后降低,在入口后周向角度30°～40°,射流区域叠加最强,射流外侧靠近入口处的影响最大。多股射流流场叠加使立式圆筒体内部的流动更加均匀,涡旋结构稳定在轴线附近。周向多入口凹壁面射流相较于单入口在切向速度、湍流动能、静压力最大值等参数上均产生叠加作用,其中三入口与单入口更接近,叠加作用最小。对总流量相同的不同入口结构设备内旋流流动研究表明,离心分离因数、湍流动能和静压力与入口速度相关性较大,叠加特性对旋流流动的增强作用不明显。可通过提高多入口射流速度提高离心分离因数及物料的处理量。     

凹壁面切向射流近壁面单颗粒尾流特性的大涡模拟

采用大涡模拟研究了凹壁面切向射流作用下近壁面圆球型颗粒对流体流动特性的影响,模拟获得的尾涡结果与实验示踪剂图像吻合较好。研究了颗粒尾流的涡旋结构及其演变过程,考察了雷诺数Re=700～10 000时颗粒周围速度、涡量及流线变化。结果表明,随着雷诺数增加,颗粒的影响区域涡量增强,涡量的峰值始终出现在颗粒迎流面,颗粒后侧的回流区显著收缩。Re≥2000时在射流展向颗粒后侧存在两个尾涡,流体的切向速率和涡量均发生周期性波动。对颗粒的升力和阻力进行了监控,Re=2000时旋涡脱落频率对应的斯特劳哈尔数St=0.000 854,升力功率谱中峰值对应的St=0.001 52;Re=10 000时阻力功率谱没有发现峰值,升力功率谱中峰值对应的St=0.008 74。     

微反应器内液滴生成规律及流动特性研究进展

微通道内两相流动广泛应用于微化工领域,本文简介了微通道内两相流动的形成过程,综述了国内外研究进展。进一步的研究需要结合数值模拟与理论研究的方法,以实验结果为基础,获得更为细致、可信的数学模型,为微化工优化设计提供基础。     

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。     

液滴滴浸微通道入口段的动力学特性分析

采用流体体积(Volume of Fluid, VOF)函数捕捉气液相界面,研究液滴滴浸微通道入口段的运动,通过改变微通道入口段的截面宽度、润湿特性及液滴雷诺数(Re)和韦伯数(We)研究滴浸过程的动力学特性。结果表明,微通道入口段的截面宽度对液滴浸入微通道时的撞击过程影响最明显,随截面宽度减小,液滴撞击通道入口后通过微通道的难度增加,整个过程液滴所受阻力逐渐增大;当微通道截面宽度减至0.2 mm时,壁面润湿性效应凸显,表现为壁面静态接触角越大,液滴滴浸微通道时所受的阻力也越大。表面接触角较大时,为使液体通过微通道入口段,可适当增大液滴的Re,液体在通道内的浸润长度随Re增加成比例增大,当Re增至4000时,通道内开始出现射流现象。We减小,表面张力效应变得明显,通道内的流动阻力变大,液体流过微通道入口段的难度增大。     

Dynamic polygonal spreading of a droplet on a lyophilic pillar-arrayed surface

We experimentally investigated the dynamic polygonal spreading of droplets on lyophilic pillar-arrayed substrates. When deposited on lyophilic rough surfaces, droplets adopt dynamic evolutions of projected shapes from initial circles to final bilayer polygons. These dynamic processes are distinguished in two regimes on the varied substrates. The bilayer structure of a droplet, induced by micropillars on the surface, was explained by the interaction between the fringe (liquid in the space among the micropillars) and the bulk (upper liquid). The evolution of polygonal shapes, following the symmetry of the pillar-arrayed surface, was analysed by the competition effects of excess driving energy and resistance which were induced by micropillars with increasing solid surface area fraction. Though the anisotropic droplets spread in different regimes, they obey the same scaling law S ~ t^2/3 (S being the wetted area and t being the spreading time), which is derived from the molecular kinetic theory. These results may expand our knowledge of the liquid dynamics on patterned surfaces and assist surface design in practical applications.     

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。     

不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟

对冷水滴撞击不同表面时的动力学行为和相变过程进行了模拟。通过耦合VOF和Level-set方法追踪气液自由界面,结合焓-孔隙度相变模型,模拟水滴撞击冷表面的动力学行为及相变特征。选取亲水（接触角30°）、疏水（接触角114°）和超疏水（接触角163°）3种典型浸润性的表面,计算了多种壁温条件下的水滴撞击结冰过程。结果表明提高表面疏水性,将减小水滴与冷表面的接触时间和接触面积,降低水滴内的相变速率,延缓水滴结冰的时间。在表面温度高于-15℃时,超疏水表面可以避免冷水滴的冻结黏附,保持表面洁净。将模拟得到的最大铺展直径、回缩速率以及冻结情况,与已有实验结果进行对比验证,表明了模拟方法的有效性和准确性。     

液滴形状法测量纤维接触角的研究

介绍了液滴形状法测量单根纤维接触角的基本原理 ,利用显微镜观察液滴的形状 ,将数据输入根据Young Laplace方程编写的程序中计算出接触角。通过实验验证 ,该法简单可行 ,可以有效的表征 0～ 60°的纤维表面接触角。     

Dynamic formation and scaling law of hollow droplet with gas/oil/water system in dual‐coaxial microfluidic devices

Based on the one‐step microfluidic method of producing hollow droplet with thin film, this article studies the effect of water and oil flow rate, gas pressure, and viscosity of aqueous phase on the dynamic formation and size of hollow droplet by analyzing large amounts of data acquired automatically. The results show that the filling stage of hollow droplet is similar to that of microbubble formation, while the necking stage is similar to that of droplet formation process. Furthermore, based on the data and mathematical model describing droplet formation mechanism, a filling stage model including Capillary number of continuous phase is developed. Considering the dynamic interface breakup and displacement of droplet in necking stage, a necking stage model is developed. The results show that the model results considering filling and necking stage fit well with the experimental data, and the relative error is less than 5%. Finally, the same model with parameters is used to predict the size of hollow droplet with other systems and devices, and the model is proved to be relative precise in our experimental conditions. The results presented in this work provide a more in‐depth understanding of the dynamic formation and scaling law of hollow droplet with G/L/L systems in microfluidic devices. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 64: 730–739, 2018