液滴与壁面碰撞模型研究

液滴在运动过程中与壁面发生碰撞后会发生破碎、反弹、附着等现象,这取决于液滴的尺寸、入射速度和角度,以及壁面的粗糙度、温度等因素.为了研究这个问题,在考虑以上因素的基础上,建立了液滴与壁面碰撞模型,并结合欧拉-拉格朗日两相流模型,分别对单液滴、水滴与壁面碰撞的情况进行了数值模拟.计算所得的结果与预期相同,并且与试验结果也吻合得较好,从而证明了所使用的液滴与壁面碰撞模型的正确性和合理性.     

液滴撞击超疏水—亲水混合表面的动态行为特性

对液滴撞击普通表面、疏水表面、疏水—亲水混合表面的行为进行可视化观测,对比研究不同撞击表面的动力学特性,分析表面润湿性以及撞击速度对撞击行为的影响.疏水部分接触角选取115°、135°和150°.液滴撞击不同的表面,均会发生铺展、回缩、反弹或破碎行为.液滴撞击疏水表面的速度越大,表面的铺展因子越大,但不会影响最大铺展时间(3 ms).当液滴以2.43 m/s的速度撞击超疏水表面时,铺展因子可达3.43.研究发现,液滴撞击超疏水—亲水混合表面未发生反弹,且撞击速度越大,接触角越大,液滴撞击产生的液指越多,断裂产生的次生小液滴越多.结果表明,超疏水—亲水混合条纹可以减小单个液滴的体积,减少液滴的二次回弹.     

低阶煤的表面改性及其与气泡的碰撞黏附行为

低阶煤浮选中,通过表面改性提高煤表面的疏水性是关键,选取FO复配药剂对长焰煤表面进行改性,研究表面改性对气泡与煤表面碰撞黏附行为的影响.分析了长焰煤的表面性质和FO药剂的物理化学性质,采用自制的气-液-固三相接触测试系统对气泡与改性前后煤表面碰撞黏附的微观过程进行记录和分析,并通过浮选试验对FO药剂在煤表面的改性效果进行验证.结果表明:在改性前,气泡与煤表面的碰撞需要经过3次弹跳才能趋于稳定,但并未形成稳定的三相接触周边;经FO药剂改性后,气泡与煤表面碰撞后可以形成稳定的三相接触周边,且随着药剂质量浓度的增加,弹跳次数减少,达到最终黏附状态所用的时间也越来越短,三相接触面积由8.73 mm~2增加至14.62 mm~2.浮选验证试验表明,随着FO药剂用量的增加,精煤产率由30.34%增加至69.83%,灰分由9.89%降低至7.83%,浮选效果良好,这与碰撞黏附试验的研究效果相一致.     

冷液滴/热液膜碰撞形态及二次液滴特性研究

冷液滴/热液膜碰撞现象广泛存在于工业应用中,而液滴与液膜间温度差异会影响到液滴/液膜碰撞形态及其二次液滴的特性。针对先前研究的不足,设计制造了冷液滴/热液膜碰撞试验装置并开展了大量冷液滴/热液膜碰撞试验,基于此获得了冷液滴与热液膜碰撞判断准则,建立了二次液数量、尺寸分布和温度与碰撞参数之间的无量纲关系。结果表明,冷液滴/热液膜碰撞后有碰并、冠状液膜成形及溅射3种形态,且3种形态可通过文中提出的判断准则辨识;二次液滴数量随着飞溅参数的增加而增加,二次液滴的无量纲直径分布在0～0.3的范围内且二次液滴尺寸概率密度分布为威布尔分布,二次液滴温度与液膜温度较为接近,二次液滴的温度均在液膜温度的90%以上,同时二次液滴的温度随着二次液滴无量纲直径的增加略有减小的趋势。     

氮液滴在气流中的破碎和碰撞模拟

为揭示喷雾冷却中雾场氮液滴的行为,基于流体体积法(VOF)建立氮液滴的碰撞模型,对氮液滴在高速气流下的不同碰撞过程进行数值模拟,研究碰撞过程中液滴形态及气隙压力的变化情况.设定相同与不同液滴尺寸的液滴碰撞,以及对心与偏心液滴碰撞等4种不同条件,分析在各种碰撞条件下,碰撞初始条件改变对于液滴形态与后续液滴大小的影响.数值计算结果表明:高速气流下液滴发生碰撞时,其破碎形态主要由气流速度决定,而碰撞参数B主要决定液滴拉伸形成韧性带的方向;液滴接触时形成的气体间隙,其压力呈现先增大后减小的趋势;与对心碰撞过程相比,偏心碰撞时气隙压力会更快释放;相同尺寸对心碰撞的后续液滴分离情况最差,这是由于韧性带沿着气流方向,导致液膜没有明显破碎,对于后续液滴蒸发不利.     

表面特性对超声波脱除冷表面冻结液滴的影响

本文研究了表面特性对超声波脱除冷表面冻结液滴的影响,对不同表面特性下超声波对不同粒径和不同冻结时间冻结液滴的脱除效果进行了对比分析. 试验结果表明,超声波可瞬间脱除冷表面冻结液滴,且随着表面接触角的增加,冷表面冻结液滴的脱除概率逐渐增大;冻结液滴粒径越大,冻结时间越长,表面特性对超声波脱除冻结液滴的效果越显著;与普通铝表面上冻结液滴脱除状况相比,表面接触角136°时,超声波可完全脱除其表面上冻结液滴. 试验结果为疏水表面应用于超声波抑/除霜提供了数据支撑.     

液滴喷射过程中碰撞的形态及流场模拟分析

利用VOF方法建立单个液滴与基板发生碰撞沉积变形的模型,分别对液滴的运动、射流、弛豫和浸润等4个阶段形态变化进行了分析。对模拟结果分析发现:液滴碰撞速度越大,射流能达到的铺展半径越大,液滴最后平衡所用的时间也越长,但速度太大可能导致在浸润阶段液滴回缩时形成中间空缺的现象。模拟结果与照片相符合,说明文中研究方法可行。对液滴铺展达到最大半径、平衡态半径的模拟值和计算值进行比较,二者的误差很小。液滴流场的变化是决定其形态变化的本质,通过对模拟得到的液滴内部流场进行分析,流场变化和液滴4个阶段的形态变化完全一致,从液滴内部掌握了其变形机理。     

分离压对不同基底上含活性剂液滴铺展特征的影响

针对不同基底结构上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,引入受活性剂浓度影响的分离压模型,应用润滑理论建立了液滴厚度和活性剂浓度演化方程组,通过数值计算得到了分离压作用下含活性剂液滴过程的演化特征。研究表明不考虑分离压时,最小液膜高度贴近壁面,诱发去润湿现象发生,基底不平整度增加加剧液膜变形;分离压作用下最小液膜高度显著上升,铺展前沿处衍生出的子波结构明显减少,铺展更加稳定;分离压具有抑制液膜表面变形促进液滴铺展的作用。     

电场作用下液滴的动力学特征

基于漏电介质模型和润滑理论,建立了电场作用下两极板间液滴运动特征的理论模型,采用PDECOL数值模拟了不同底部电势下液滴的动力学特征及多种参数的影响,讨论了主要特征量的变化率。结果表明:线性底部电势的突出影响表现在促进液滴整体偏移现象上,具有减缓液滴铺展、抑制液膜破断的作用;非线性电势的影响体现在液滴自由界面呈波状形态,或液滴中心内陷,逐渐破裂为子液滴、并向两侧分离的特征,提高电毛细力数有助于分裂液滴、增大电极间距则可减缓液滴运动;交流电场作用下,液滴作周期性振荡运动、呈扁长外形,提高电压幅值加剧液滴破裂或重组特征。     

倒三角形纳米粗糙表面液滴润湿性分子动力学模拟

固体表面纳米结构可以有效地调控界面润湿特性,在材料能源等领域具有重要应用前景。改变纳米结构的几何尺寸能够在一定范围内调节润湿特性,但存在一定的局限性,调节固液间能量系数能够进一步改变界面的润湿特性。然而,纳米粗糙表面液滴在更大区间内的固液相互作用系数下的润湿特性研究甚少。本文采用分子动力学模拟的方法,研究了倒三角形纳米粗糙表面液滴在不同区间能量系数下呈现的润湿行为,并采用渗透率进行表征。结果发现：四个不同的区间内固液间能量系数对渗透率的作用规律不同,呈现出先增后减的趋势,液滴也依次呈现出显著的润湿态,对应润湿状态图中疏水的Cassie态到亲水的Wenzel态,而能量系数越过临界值(~7),Wenzel态再反转回显著的Cassie态;同时,液滴分子空间分布呈现明显的规律性,其底层原子在晶格线或晶面均衡分布,形似壁面原子的外延生长。本文的研究获得了能量系数对润湿性影响规律的全貌性认识,对纳米结构表面润湿性的设计和调控具有一定的指导意义。     

Adhesion forces for water/oil droplet and bubble on coking coal surfaces with different roughness

Surface roughness plays a significant role in floatability of coal. In the present paper, coking coal surface was polished by three different sandpapers and the surface properties were characterized by contact angle and roughness measurements. The effect of surface roughness on floatability was investigated by adhesion force measurement system for measuring interaction forces between droplets/bubbles and coking coal surfaces with different roughness. The results showed that the contact angle decreased with increasing roughness yet the adhesion force between the water droplet and coal surface increased owing to the increased contact line and the appearance of line pinning. Maximum adhesion forces between water and surfaces were 111.70, 125.48, and 136.42 μN when the roughness was 0.23, 0.98, and 2.79 μm, respectively. In contrast, under a liquid environment, the adhesion forces between air bubble/oil droplet and coal surfaces were decreased with increasing roughness because of the restriction by water. Maximum adhesion forces of increasing roughness were 97.14, 42.76, and 17.86 μN measured at interfaces between air bubble and coal surfaces and 169.48, 145.84, and 121.02 μN between oil droplet and surfaces, respectively. Decreasing roughness could be beneficial to the spreading of oil droplets and the adhesion of bubbles which is conducive to flotation separation.     

不同下垫面的反射特性对空调负荷的影响

阐述并计算了混凝土和草坪两种典型不同下垫面所导致的反射辐射和热辐射热量的差异,同时对它们的不同所造成的差值在围护结构向室内传热量中的比例进行了计算和分析,结果发现由混凝土地面导致的通过围护结构由室外向室内的传热量比由草坪引起的大26.94～58.55W/m2.提出应尽量采用经绿化的下垫面,或者是采用向地面洒水等措施来降低下垫面的温度,以减少围护结构额外的得热量,从而减小空调冷负荷,降低建筑物的能耗.     

不同下垫面的反射特性对空调负荷的影响

阐述并计算了混凝土和草坪两种典型不同下垫面所导致的反射辐射和热辐射热量的差异，同时对它们的不同所造成的差值在围护结构向室内传热量中的比例进行了计算和分析，结果发现由混凝土地面导致的通过围护结构由室外向室内的传热量比由草坪引起的大26．94～58．55W／m^2。提出应尽量采用经绿化的下垫面，或者是采用向地面洒水等措施来降低下垫面的温度，以减少围护结构额外的得热量，从而减小空调冷负荷，降低建筑物的能耗。     

从动件运动规律对凸轮机构接触碰撞运动特性影响研究

为研究不同从动件运动规律对凸轮机构接触碰撞运动特性的影响,基于直动从动件凸轮机构,以4种常用的凸轮机构从动件运动规律为基础,运用二状态间隙碰撞模型,应用拉格朗日方程建立凸轮与从动件接触碰撞的凸轮机构动力学方程,进行算例计算分析,并结合AD-AMS软件进行仿真验证.结果表明,在相同条件下,简谐组合运动规律和7次多项式运动规律侵入量大于余弦和正弦运动规律,均适用于高速、中低载工况.简谐组合运动规律较相同函数连续特征值的多项式运动规律速度幅值和侵入量较小,可有效替代部分多项式运动规律场合.     

直喷汽油机喷雾粒径特性

利用激光衍射技术研究了直喷汽油机喷油器喷雾粒径在不同喷射压力、不同喷射脉宽和不同空间条件下随时间变化特性。试验结果表明:在喷雾开始和结束时喷孔内外压差不稳定,容易出现大直径液滴;在喷射过程中燃油喷射压力和喷射脉宽对喷雾粒径的影响是一个动态过程,在燃烧系统开发过程中需要优化喷油器参数以获得最优喷雾粒径;燃油喷雾液滴在空间分布并不均匀,油束中心区域液滴直径大于边缘区域液滴直径。     

不同溶液对荷叶润湿性能的影响

研究了荷叶在不同pH值、不同浸润时间的酸(H2SO4)、碱(NaOH)、乙醇(C2H5OH)和丙酮(C3H6O)溶液浸泡后润湿性能的变化情况。结果表明:试验条件下,溶液酸碱度、浸润时间对荷叶与水的接触角无明显影响;对试验前、后荷叶样本扫描电镜(SEM)和场发射环境扫描电镜(ESEM-FEG)图片进行对比分析发现:荷叶表面微观形貌及表面蜡晶形貌均未见明显变化。对荷叶表面化学成分作用分析结果显示,酸、碱溶液与荷叶表面脂类成分(蜡晶)间的惰性反应是荷叶对酸、碱溶液不润湿的主要原因。经乙醇和丙酮溶液处理后的荷叶样本表面迅速失去超疏水特性而呈现亲水特征,其原因是荷叶表面脂类成分与醇类、酮类物质具有高度亲和性,从而改变了荷叶表面微观结构和脂类成分。     

不同碰撞模式的汽车正面结构抗撞性设计

讨论了全宽正面碰撞、斜角碰撞和偏置碰撞三种碰撞模式的特点。以某微型客车为例,基于模拟计算的方法分别按FMVSS208和ECER95法规要求考察了该微型客车(已满足全宽碰撞要求)30°斜角碰撞和40%偏置碰撞的结构抗撞性。对比原全宽碰撞数值模拟结果提出并验证了全面提高该车正面抗撞性的结构措施和评价指标。     

螺旋型喷嘴雾滴分布特性实验研究

液体雾化是两相流研究中非常重要的课题,在农业、能源以及环境工程中具有广泛的应用。本文对TF6喷嘴的雾化机理及表征液滴尺寸的参数进行了理论分析,通过实验测量了该喷嘴在不同喷雾压力下液体雾化粒子的粒径分布,得出了粒子粒径与喷雾压力之间的变化规律,并得到了该喷嘴的临界雾化压力值。     

螺旋型喷嘴雾滴分布特性实验研究

液体雾化是两相流研究中非常重要的课题,在农业、能源以及环境工程中具有广泛的应用。本文对TF6喷嘴的雾化机理及表征液滴尺寸的参数进行了理论分析,通过实验测量了该喷嘴在不同喷雾压力下液体雾化粒子的粒径分布,得出了粒子粒径与喷雾压力之间的变化规律,并得到了该喷嘴的临界雾化压力值。