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。     

壁面曲率及过冷度对液滴铺展特性的影响

从覆冰类型及危害来看,雨凇对于导线产生的危害是最为严重和致命的。液滴撞击壁面的动力学特性对于相变凝固过程中的热质传递有重要影响,进而影响导线覆冰的特性。通过对比液滴撞击常温及过冷弯曲壁面过程中的液滴行为演变的异同,获得了表面过冷度和曲率大小对液滴铺展行为的影响规律。实验结果表明,随着圆柱曲面曲率的增加,周向上液膜铺展更好,轴向上液膜铺展更差。对于低温壁面上液滴的铺展过程,增加表面的过冷度,液滴的铺展更差,液滴振荡弛豫时间更短,表层液膜结冰速率加快。然而,低温壁面上液滴的铺展好于常温壁面上液滴的铺展,通过分析温度对液滴表面张力和黏性的影响规律,推论在铺展过程中,较低的壁面温度使得液滴底层快速形成了一层冰膜,改变了液固之间的界面能,使得液滴更易于铺展。在液滴回缩阶段,可明显观察到底层结冰的现象。该结论可为导线雨凇结冰提供理论参考。     

壁面曲率及过冷度对液滴铺展特性的影响

从覆冰类型及危害来看,雨凇对于导线产生的危害是最为严重和致命的。液滴撞击壁面的动力学特性对于相变凝固过程中的热质传递有重要影响,进而影响导线覆冰的特性。通过对比液滴撞击常温及过冷弯曲壁面过程中的液滴行为演变的异同,获得了表面过冷度和曲率大小对液滴铺展行为的影响规律。实验结果表明,随着圆柱曲面曲率的增加,周向上液膜铺展更好,轴向上液膜铺展更差。对于低温壁面上液滴的铺展过程,增加表面的过冷度,液滴的铺展更差,液滴振荡弛豫时间更短,表层液膜结冰速率加快。然而,低温壁面上液滴的铺展好于常温壁面上液滴的铺展,通过分析温度对液滴表面张力和黏性的影响规律,推论在铺展过程中,较低的壁面温度使得液滴底层快速形成了一层冰膜,改变了液固之间的界面能,使得液滴更易于铺展。在液滴回缩阶段,可明显观察到底层结冰的现象。该结论可为导线雨凇结冰提供理论参考。     

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。     

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。     

超疏水表面蒸汽及含不凝气蒸汽滴状冷凝传热实验分析

通过紫铜基表面上制备两种具有微纳米结构的超疏水表面以及相同化学修饰的光滑疏水表面,实验研究了各表面上空气环境下水的润湿特性以及在纯蒸汽、蒸汽-空气混合气体环境下,表面的滴状冷凝传热特性和冷凝液滴的运动和润湿特性。结果表明:纯蒸汽滴状冷凝条件下,超疏水表面的传热性能明显低于光滑疏水表面的传热性能;含低浓度不凝气蒸汽冷凝环境下,超疏水表面传热性能与光滑疏水表面相近;蒸汽冷凝环境中,超疏水表面上液滴的接触角明显低于其在空气条件下接触角,并且接触角滞后增大。分析得到,微纳米结构的存在使冷凝过程液滴的接触角滞后增大,微纳米结构中冷凝液滞留增加的壁面热阻等抑制了滴状冷凝传热性能;并提出了蒸汽及含不凝气蒸汽冷凝环境中液滴在超疏水表面上的润湿模式。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

水下四氯化碳单液滴在凹壁面上的动态特性

采用实验观测与图像处理相结合,对CCl4液滴在水下撞击凹壁面后的动态特性进行了系统研究。结果表明,液滴撞击凹壁面的过程经历了下降、扩散、松弛、滚动和润湿五个阶段。液滴与凹壁面间的撞击角θ对液滴拉伸特性的影响大于液滴初始直径和壁面曲率半径。当θ=90°时液滴垂直撞击壁面最低点,液滴迅速弹跳并强烈回缩,铺展时间短且变形率最小。在θ=100°~150°时,随着撞击角增加液滴变形幅度增大,相邻时刻滑动变形率小于滚动变形率。110°<θ<130°时液滴以滑动和铺展为主。θ>130°时液滴沿壁面滚动现象更容易发生。θ=154.2°时液滴接近纯滚动状态。增大撞击角,液滴沿凹壁面滚动下滑有效降低壁面黏附和液滴破碎。     

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。     

改性液滴撞击荷叶表面沉积特性对比

利用高速摄像机拍摄去离子水液滴、3种相对分子质量的聚氧化乙烯(polyethylene oxide,PEO)液滴、表面活性剂硫酸钠琥珀酸二辛酯[bis(2-ethylhexyl)sulfosuccinate,AOT]液滴和两种助剂组合液滴撞击荷叶表面，对比分析不同特性液滴在叶面上的沉积特性。实验结果表明：PEO助剂能够明显抑制液滴反弹和增加液滴在叶面停留时间，阻止向外发射卫星液滴，高相对分子质量PEO(5×10⁵、2×10⁶)抑制效果更加明显，但会降低液滴在叶面上的铺展面积；低质量分数(0.005%、0.02%)的AOT助剂能够增加液滴在叶面上的铺展面积，减小液滴弹起高度，润湿局部撞击区域，但是在撞击速度较高(v>1.66m/s)时，液滴会在收缩时破碎多个卫星液滴而弹离叶面；增加AOT质量分数为0.1%时，液滴能够在铺展阶段润湿叶面，并在短时间内扩散到更大面积；采用PEO和AOT两种助剂的混合液滴结合了聚合物和表面活性剂的优点，能够在局部润湿区域形成牵扯液滴的液丝，增强了液滴在叶面上的有效沉积；通过对实验数据整理分析，发现液滴在降低雷诺...     

液滴碰撞液膜复合level set-VOF法的数值分析

液滴碰撞液膜现象广泛存在于化工领域中。采用CLSVOF法建立了液滴碰撞液膜数值模型,并开展实验验证了模型的准确性。通过分析结果,研究了碰撞速度对液滴运动形态的影响,揭示了液滴内部流动传热和飞溅机理,并探索了液滴撞击液膜动力学和传热特性随碰撞速度的变化规律。研究表明:液滴碰撞液膜后随碰撞速度的增加依次呈现出波动、皇冠射流和射流飞溅等形态;碰撞速度越大,射流飞溅特征越明显。碰撞中心区域较大的压力梯度是液滴铺展的主要原因;铺展边缘较大气液压差是产生射流的主要原因;射流区域内速度间断是皇冠射流发展的关键因素;空气剪切及毛细波的作用是射流颈部收缩和产生飞溅的关键。碰撞速度越大,液滴的铺展系数、无量纲射流高度和壁面最大平均热流密度越大,无量纲液面中心相对高度越小;随着液滴雷诺数的增加,壁面最大平均热流密度的碰撞速度效应逐渐减小。     

凸起微结构对超疏水表面液滴弹跳强化机理的研究

研究表明冷凝液滴在超疏水表面上合并时可以诱发弹跳,而调控液桥撞击壁面的位置能够强化这一过程。今制备了两种构型的超疏水表面(只包涵纳米结构的平壁超疏水表面以及带有三棱柱凸起结构的超疏水表面),从液滴侧部和底部两个方向协同拍摄了液滴在平壁超疏水表面上合并弹跳动态过程;实验测量了液滴弹离壁面的速度并计算了相应的能量转化率,研究了三棱柱的结构参数对液滴弹跳速度的影响。结果表明,超疏水表面上液滴合并诱导弹跳过程可以分为四个阶段:液桥生长、液桥撞击壁面、液滴底面积收缩及液滴弹离壁面;当液滴在三棱柱凸起结构上方合并时,液滴弹离壁面的速度随着三棱柱长度增加而增大(三棱柱高度不变),且存在一个最大值;当三棱柱长度一定时,液滴弹离壁面的速度亦随着三棱柱的高度增加而增大。     

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。