液滴与壁面撞击流动及传热特性研究

采用Level Set-VOF模拟单液滴撞击壁面的铺展行为及液滴初速度、初始直径及液膜厚度对液滴撞壁传热特性的影响。研究表明:液滴初始速度较大,撞击壁面后发生强烈反弹,液滴在表面回缩破碎及铺展破碎能力加强,导致表面传热系数随之增大;随着液滴初始直径增大,液滴铺展破碎的发生,将对表面传热起促进作用;初始液膜越厚,撞击后液滴溅射能力被削弱且在表面铺展趋势延缓,因此不利于热量迅速传递。     

液滴在固体表面流动特性的数值模拟及验证

为了研究液滴在固体表面的流动特性,采用格子Boltzmann(LBM)分子动力学和水平集(LS)界面跟踪相结合的方法(LBM-LS)对液体在固体表面流动铺展过程进行数值模拟,用LBM求解液体运动的流场,LS捕捉运动的固液气界面。结果表明,模拟结果与实验测定结果一致,铺展接触角随时间呈指数变化规律,液体表面张力越小铺展接触角越小,证明采用LBM-LS模型模拟润湿性问题是可行的。     

微液滴铺展动力学模型及实验验证

为了研究壁面的润湿动力学行为,通过对离散化的液膜进行力学平衡方程推导,提出了一种液滴沿壁面铺展的动力学模型;模型以加速度方程表示铺展的动态变化,避免从能量角度计算复杂性的问题;利用动态接触角分析仪进行润湿实验,比较数值计算与实验结果。计算结果表明:得到的接触角随时间呈指数规律变化;液滴表面张力越小液膜越容易铺展,且所需的铺展时间越短;液滴度对铺展起阻碍作用,且缩短铺展时间;接触角动态变化规律整体一致,标准偏差在1.5°以内,说明本模型能够准确地反映液滴铺展的动态过程。     

接触角和质量分数对液滴冻结过程的影响

本文通过Fluent软件的凝固/熔化模型,模拟了接触角及质量分数对纯水和氯化钠溶液在冷表面冻结过程的影响,选择铜片为亲水表面,纳米膜表面为疏水表面,对液滴在不同表面特性条件下的冻结过程进行实验研究.结果表明:液滴在冷表面的冻结特性与接触角、质量分数有关.当溶液质量分数一定时,接触角越小,液滴冻结速度越快,完全冻结时间越...     

压电喷墨液滴撞击光滑壁面铺展行为的数值研究

目的 研究典型流体相关无量纲参数对墨滴在光滑承印物表面铺展行为的影响,确定各无量纲参数对铺展直径、铺展因子和稳定铺展时间的影响规律。方法 利用Ansys软件,建立墨滴撞击光滑壁面的数值计算模型,采用VOF模型追踪液滴形状,采用PISO算法计算压力速度耦合。引入韦伯数、雷诺数、奥内佐格数来分析墨滴撞击光滑承印物表面的铺展行为。结果 计算获得不同韦伯数、雷诺数、奥内佐格数下墨滴的最大铺展直径、最终平衡铺展直径、最大铺展因子和最终铺展时间。结论 韦伯数和雷诺数对墨滴最大铺展直径的影响较大,对最终平衡直径的影响较小。韦伯数或雷诺数越小,回缩阶段越短,越快达到平衡。韦伯数、雷诺数与最大铺展因子呈明显正相关。奥内佐格数对墨滴的最大铺展直径、最终平衡直径的影响都较小。奥内佐格数越小,回缩阶段越短,越快达到平衡,奥内佐格数与液滴最大铺展因子呈不明显的正相关性。     

液滴撞击固体球面行为特性的数值研究

基于VOF理论,建立了单个液滴撞击球面基板的模型,并分析了液滴的运动、射流、弛豫和平衡四个阶段的形态变化。对液滴正向撞击球面的过程进行了数值模拟,重点研究了冲击速度、球面直径、表面张力和粘度对液滴沉积行为的影响。结果表明,增加撞击速度,最大铺展直径增加,最小铺展厚度减小;增加球面直径,最大铺展直径增加,最小铺展厚度增加;超过一定粘度后,增加粘度系数,最大铺展直径减小,最小铺展厚度增加;增加表面张力系数,最大铺展直径减小,最小铺展厚度增加。在碰撞初期,铺展厚度以碰撞速度线性递减。当速度过大、球面直径或表面张力过小,会导致液膜出现中心局部破裂现象。     

基于WOA–BP神经网络的液滴铺展预测

目的 提高BP神经网络对电喷印过程中液滴铺展行为的预测能力。方法 提出一种鲸鱼优化算法(WOA)优化BP神经网络的液滴铺展预测模型。首先，采用相场方法建立电场作用下液滴铺展的数值模型，并通过实验验证仿真结果的准确性。然后，选取初始直径、撞击速度、接触角和电场强度作为神经网络的输入参数，将最大铺展直径作为神经网络的输出参数，利用鲸鱼优化算法优化神经网络中的初始权值和阈值，构建液滴铺展预测模型。最后，基于仿真结果对预测模型进行训练与测试，并将其与传统的BP神经网络模型进行对比分析。结果 相较于传统BP神经网络预测模型，WOA–BP神经网络预测模型的平均绝对误差、均方根误差分别降低了72.60%、77.60%，而平均绝对百分比误差则从15.029 3%减小为4.585 3%。结论 WOA–BP神经网络预测模型可以更好地预测液滴铺展，可为液滴铺展的预测提供新的方法。     

曲面上纳米流体液滴的蒸发特性

目的 研究曲面上纳米流体在不同基板温度下的蒸发过程,分析蒸发过程中液滴内部的传热和流动特点,揭示其蒸发机理。方法 选用5种不同表面温度(15、30、45、60和75 ℃)的铜半球作为蒸发基板,以含Al2O3纳米颗粒的液滴作为蒸发流体,记录液滴蒸发过程中各参数(接触角、接触三相线和液滴剩余体积)的变化过程,对蒸发后形成的沉积图案进行测量分析。结果 液滴在曲面基板上的蒸发速率大于液滴在平面基板上的蒸发速率;在不同蒸发温度下液滴蒸发模式基本相同,且蒸发过程中接触线均出现了滑移现象,接触角在第2阶段的减小速率更大;随基板温度的升高,咖啡环明显变窄,马兰戈尼数明显增大,蒸发速率加快。结论 曲面基板相对于平面基板加强了液滴内部的对流换热,纳米流体的蒸发模式不受温度和曲率的影响,蒸发后期液滴内部的对流换热效果相较于表面散热效果更加强烈,随基板温度升高,马兰戈尼效应对咖啡环形成的影响加强。     

振动作用下平直翅片管结霜初期微液滴运动过程数值模拟

平直翅片管换热器在低温高湿环境中工作极易发生结霜现象,造成能耗增加、故障率升高,而对结霜初期的微液滴施加振动作用可以加速微液滴的滑落过程从而达到抑制结霜的效果。对结霜前期微液滴的生长过程进行数值模拟分析,并通过文献值验证了数值模拟的可靠性,然后利用不同时刻的微液滴数据,通过数值模拟的方式,研究不同振动频率作用下微液滴的运动特性,最后搭建试验平台进行验证。研究结果发现,不同体积的微液滴对应的最优振动频率有所不同,当微液滴体积较小时,较高的振动频率使微液滴在基管壁面来回振荡,不易滑落,当微液滴体积较大时,较高的振动频率有利于微液滴克服壁面摩擦力,有利于液滴滑落。     

基于传热凝固模型金属熔体滴落、铺展温度变化分析

运用有限体积法对金属微熔体滴落、铺展成形温度变化进行数值模拟。在考虑熔体滴落过程中和周围环境存在热交换作用的前提下,采用凝固UDF模型,成功模拟了固定坐标点金属Sn60%-Pb40%熔体以及固定节点金属Al熔体滴落和与基板壁面进行碰撞铺展的温度梯度变化。结果表明:金属熔体在滴落过程中,由外表面向内层逐渐凝固,而且各个区域凝固速度不同,即熔体外表面向中心温度下降梯度逐渐减小。     

微观结构表面接触角模型及其润湿性

润湿性是固体表面的重要性质之一,固液界面润湿性与表面微观结构、界面能等有关.研究了微观结构固体表面固液界面润湿性以及界面能、液滴重力、微观结构参数对润湿性的影响.分析表明,Young、Wenzel、Cassie、Cassie-Baxter等4种接触角模型分别把固体表面看成光滑、粗糙(液滴完全填满)、粗糙(液滴不填充)以及粗糙(液滴部分填充),后3种模型可用于实际固体表面,并可在3种状态下实现转换.设计了方柱凹坑、圆柱凹坑等微观结构表面,调控横径比、纵径比、深径比等微观结构参数,可以改变固液界面润湿性.研究发现,液滴重力对表面接触角存在稍许影响,界面能的大小决定着材料表面的疏/亲水性.     

喷墨印刷液滴的铺展特性研究

目的 研究喷墨印刷液滴相关参数对其铺展特性的影响，为喷墨印刷质量的研究奠定基础。方法 采用Fluent软件，基于VOF(Volume of Fluid)法，建立液滴撞击光滑承印物表面并铺展的仿真模型，采用PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法对速度和压力进行耦合，分析液滴相关参数对其撞击铺展的影响规律。结果 当液滴飞行速度为6 m/s、接触角度为40°、液滴流体黏度为0.005 Pa.s、液滴直径为0.08 mm时，液滴撞击光滑承印物表面的铺展系数最大，铺展程度最好，铺展特性最优。结论 铺展系数随液滴直径、流体黏度和接触角的增大而降低，随飞行速度的增大而增大。     

盐水液滴真空蒸发过程的热力学研究

基于质量与能量守恒原理、热力学理论和相变传热传质原理,建立了单个盐水液滴真空蒸发过程的数学模型,对比理论模拟结果与实验数据,验证了模型的有效性。通过模型计算探讨了液滴的无量纲面积,液滴内部浓度分布和温度分布随时间的变化,理论分析了盐水液滴真空蒸发过程中温度变化的影响因素。结果表明,抽真空过程中,盐水液滴内部存在显著温差,而浓度梯度很小。最终环境压力、液滴初始盐分浓度和初始直径对温度变化影响显著;而液滴初始温度对真空蒸发过程影响很小。     

液滴表面张力对煤尘润湿影响的数值模拟和实验研究

针对矿井煤尘难以润湿的特点,考虑到煤尘与液滴间分子作用力和煤尘表面渗流的特性,采用格子Boltzmann方法(LBM),从减小液滴表面张力方面对煤尘润湿接触角和润湿时间进行数值模拟,同时实验测定煤尘的润湿性。结果表明:LBM数值模拟和润湿实验得到的规律一致,减小液滴表面张力能够大幅度地提高煤尘润湿性,当表面张力减小到小于25 m N/m时,煤尘表现为完全润湿;通过实验测试不同表面张力的液滴与降尘效率的关系,煤尘润湿性越好,降尘效率越高,进一步验证了LBM数值模拟的合理性。     

低压环境固着盐水液滴蒸发析晶过程实验研究

实验研究了低压环境下固着盐水液滴在不同基底表面(铜、载玻片和聚四氟乙烯)的蒸发析晶过程,分析了表面性质和环境压力的影响。结果表明,低压环境下易在接触线处析出白色盐晶。铜表面由于表面能较大,接触面上覆盖盐晶体,液滴蒸发过程接触直径几乎不变,接触角逐渐减小。在载玻片表面,当环境压力较高时,液滴蒸发造成接触线收缩,伴随盐晶体的生长和移动接触角波动。在聚四氟乙烯表面,接触面处易产生气泡,气泡的生长和爆裂导致接触角明显波动。Pe数可以揭示液滴蒸发过程外部传质扩散和内部离子扩散的相对大小。研究成果有助于指导海水淡化的工业应用。     

表面超疏水性能的数值模拟研究进展

表面超疏水是自然界中一种常见的极端润湿现象。一般认为,表面超疏水是由表面微观结构和化学成分共同决定的。超疏水表面由于独特的非润湿性能,在润湿性变化、减阻、液滴弹跳、传热、蒸发、冷凝等方面具有广泛的应用前景。总结了近年来研究人员在超疏水表面润湿性变化、减阻、液滴弹跳、传热、蒸发、冷凝等方面的数值模拟研究情况,归纳了在超疏水性能研究中常用的数值模拟方法,并对其进行了评价,指出了这些方法存在的优点和缺点,提出了超疏水性能数值模拟研究应该关注的重点和研究方向。     

降压环境下液滴在不同润湿性表面汽化过程实验研究北大核心CSCD

对降压环境下液滴在不同润湿性表面的汽化过程进行了实验研究,对比了在亲水和疏水表面上液滴汽化过程的无量纲尺寸变化,分析了环境压力和表面温度对亲水表面液滴汽化过程的影响。实验结果显示:降压过程中液滴在热表面的汽化过程经历四个阶段:初始状态、降压的快速汽化阶段、定接触线汽化阶段和快速收缩阶段。相同工况下,由于疏水表面的气泡数更多,抑制了液滴接触半径的收缩,液滴生存时间更长。在亲水表面上环境压力越低、表面温度越高,液滴汽化越剧烈,并且定接触线汽化阶段占整个汽化过程的比例越大。     

SiO_2颗粒对碳钢表面电化学特性的影响

应用阵列电极技术、电化学阻抗技术等研究了惰性固体颗粒SiO_2对碳钢表面电化学特性的影响。研究发现,液滴在碳钢表面的铺展因子随SiO_2沉积量增加而增大,腐蚀活性区域增加。另一方面SiO_2颗粒在碳钢表面的沉积改变了液滴下碳钢电化学阻抗谱图,阻抗谱中出现两个容抗弧,高频容抗弧反映了其物理阻挡作用。液滴下碳钢腐蚀受液滴铺展和SiO_2颗粒物理阻挡两方面共同作用。平均电流值随SiO_2沉积量先减小后增大,所以SiO_2沉积量存在一个临界值。低于临界值时,惰性SiO_2颗粒阻碍腐蚀;高于临界值时,则加速腐蚀。     

喷墨印刷纸上液滴的铺展机制研究

分析了喷墨印刷纸张上液滴的铺展现象,结合试验数据讨论了液滴铺展的2个过程。针对纸张表面化学异质性、粗糙度对于铺展行为的影响,结合试验数据,修正了流体动力学模型的推论。     

脱硫废水烟气喷射蒸发流动特性实验研究

确保喷雾液滴在接触烟道壁面前完全蒸发,是保障电站脱硫废水在锅炉尾部烟道内蒸发处理安全运行的关键。喷雾液滴的破碎、聚并等动力学行为,以及液滴群的粒径分布和速度等因素的影响机制,是喷雾蒸发的主要特性。设计搭建了热态风洞实验台,利用激光粒度分析仪和粒子图像测速仪（particle image velocimeter,PIV）,在不同的引射空气压力、喷嘴水流量,以及风速、加热空气温度等条件下,对喷雾液滴群的粒径变化和速度变化进行了测量和分析。实验结果表明：以大液滴形态离开喷嘴的射流在引射气流的携带作用下,因破碎而形成小液滴,而后液滴间聚并效果会显现出来。液滴初始粒径仅与引射气体压力和水流量有关;风速的提高一定程度上会促进液滴间的聚并。提高高压气体压力、温度、风速以及减小水流量均有助于提高液滴群速度,其中提高风速对液滴群的增速效果最为明显。研究结果为喷雾的数值模拟及工程应用改进方向提供了参考。