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。     

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。     

三维微管液滴形成及破碎的数值模拟

基于多相流模型的VOF方法求解三维坐标下微管末端液滴形成过程,参考丙三醇溶液,分别探讨不同表面张力、密度、射流速度下液滴形成过程,和液滴断裂长度、形成时间、主液滴直径受其影响情况,并分析断裂阶段轴线上压力和轴向速度分布。     

基于VOF熔融金属液滴碰撞基板热特性分析

在熔融沉积成型（FDM）工艺过程中,为保证金属熔滴之间能较好融合,本文以金属丝材为研究对象,通过加热使金属丝熔化形成熔滴。首先对熔滴变形过程进行了分析,采用两相流模型,结合建立好的熔滴沉积理论模型,通过数值计算分别模拟了单颗、两颗熔滴碰撞铺展、融合的过程。通过有限元分析得到可视化结果,分析了不同金属熔滴尺寸、温度和基板摩擦系数等参数对熔滴沉积的影响。分析计算结果表明熔滴铺展变形过程和温度场、速度场变化相吻合。     

低流量微管末端液滴形成及破碎的数值模拟

采用数值模拟的方法,对在重力作用下微管末端液滴缓慢形成及脱落的动力学过程进行分析和研究.采用有限体积法在轴对称坐标系下求解液滴形成与破碎过程的Navier-Stokes方程,采用VOF(volume of fluid)方法以及基于PLIC(piecewise-linear interface construction)...     

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。     

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。     

疏水性金属-有机骨架材料的研究进展

金属-有机骨架(metal-organic frameworks, MOFs)材料是一种由金属离子和有机配体通过自组装形成的新型多孔材料,具有优异的物理及化学性能,因而在气体吸附储存、气体分离以及工业催化等方面表现出良好的应用潜力。但在应用的过程中,无处不在的水分子会影响MOFs骨架的稳定性和吸附性能,极大地制约了其实际应用。本文介绍了近年来疏水性MOFs材料的研究进展,重点论述了金属离子和有机配体对调控MOFs亲疏水性的影响以及通过配体后修饰和疏水性物质复合等提高疏水性的方法,分析了MOFs材料的亲疏水性机理,同时提出了实验结合计算机模拟技术筛选疏水性MOFs的手段。最后,指出目前疏水性MOFs材料合成存在的问题及解决方法,期望为今后拓宽MOFs材料在高湿环境中的应用提供一些有用的参考。     

疏水性沸石分子筛的特性及表面改性研究

介绍了疏水性沸石分子筛的疏水机理、吸附特性和表面改性技术 ,探讨了这一技术用于二氧化碳控制技术的发展前景     

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.     

波纹状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程

针对波纹状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度演化模型,通过PDECOL程序数值求解了演化方程组,得到了液滴的铺展特性及基底结构参数的影响规律。研究表明:当液滴铺展进入中后期,Marangoni效应减弱,此时基底的作用范围相应增大,基底对液滴铺展过程的影响逐渐显著。与平整基底相比,波纹状基底上的最小液膜厚度明显降低,而铺展前沿处的子波数显著增多,子波波峰高度呈单驼峰形的模态变化;而且,增加波纹状基底的高度或减小波数具有加剧液滴铺展不稳定性的作用。     

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。     

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。