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。     

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。     

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。     

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。     

卡波姆凝胶的流变性能及行为研究

利用流变仪分析了不同质量分数卡波姆934凝胶的流变特性,结果表明,质量分数大于0.25%时卡波姆凝胶的粘性表现急剧增大。通过自行研制的撞击式射流系统,采用高速摄像技术,对4种不同质量分数的卡波姆凝胶进行非对称射流撞击实验,结果表明,只有质量分数为0.15%的卡波姆凝胶出现有规律的周期性液线和液滴结构,即鱼骨破碎模式;固定一束射流的预撞击距离为3.5mm,最大鱼骨角随另一射流预撞击距离增大,先增大后减小;鱼骨破碎模式下,液膜的表面波波长与最小液膜边缘厚度的比值是常数。     

乳状液制备新工艺——膜乳化过程实验研究

用膜乳化系统制备了Ｏ／Ｗ型乳状液,考察了乳化时间、平均膜孔径、壁面剪应力、膜两侧压差和乳化剂等因素对乳化效果的影响．实验显示,分散相液滴平均直径不随乳化时间而变化;在此条件下,该直径约是膜平均孔径的５～１２倍．随着连续相一侧壁面剪应力的增大液滴平均直径减小,但当壁面剪应力大到一定值后,减小的幅度变得很小．增大膜平均孔径和膜两侧压差都将增加分散相透过膜的通量．此外,乳化剂分子的吸附速度越快,分散相液滴平均直径越小．     

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。     

基于格子玻尔兹曼方法的低We数液滴铺展凝固模拟研究

为了研究3D喷墨打印中液滴在壁面的铺展、凝固现象与机理,基于格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann method,LBM),建立了三维多组分相变模型,模拟计算了单液滴在低We数条件下与低温基板碰撞后的演变过程。在模拟过程中考虑了壁温、壁面润湿性等因素对于液滴的铺展、凝固的影响。模拟结果表明,在非润湿性壁面,液滴铺展产生震荡阻尼现象,通过改变壁温控制液滴凝固速度可以达到阻碍或者促进液滴铺展;而在润湿性壁面,凝固会阻碍液滴铺展,液滴最终铺展因子随接触角减小而降低,并且与壁温成正比关系。此外,壁温在低于一定范围后才会对液滴形貌(铺展因子、接触角)造成明显影响。     

乳状液制备新工艺

用膜乳化系统制备了Ｏ／Ｗ型乳状液,考察了乳化时间、平均膜孔径、壁面剪应力、膜两则压差和乳化剂等因素对乳化效果的影响,实验显示,分散相液滴平均直径不随乳化时间而变化;在此条件下,该直径的膜平均孔径的５－１２倍,随着连续相一侧壁面剪应力的增大液滴平均直径减小,但当同剪应力大到一定值后,减小的幅度变得秀小,蛎膜平均孔径和膜两坟差都将增加分散相透过膜的通量,此外,乳化剂分子的吸附速度越快,分散相液滴平均直     

超声作用下Mg-Zn-Al钎料的润湿与铺展

在大气环境中,对Mg-Zn-Al钎料进行超声振动作用下的铺展,超声时间分别为1,2,3,4s,并与钎剂作用下的钎料铺展行为进行对比。采用体视显微镜观察钎料在超声及钎剂作用下的铺展形貌。采用光学显微镜观察钎料铺展初始端、铺展末端及铺展后钎料的微观组织形貌。结果表明:超声振动作用下的Mg-Zn-Al钎料沿基体表面作受迫铺展,声空化作用于液态钎料产生的冲击波可以破碎基体表面的氧化膜,使液态钎料与母材发生润湿,母材溶解的深度仅有0.12mm。超声时间为2s时,钎料铺展面积最大。超声声空化作用破碎液态钎料在凝固期间产生的α-Mg固溶相及MgZn共晶相,使铺展后的钎料显微组织得到细化。     

Drop spreading and drifting on a spatially heterogeneous film: capturing variability with asymptotics and emulation

A liquid drop spreading over a thin heterogeneous precursor film (such as an inhaled droplet on the mucus-lined wall of a lung airway) will experience perturbations in shape and location as its advancing contact line encounters regions of low or high film viscosity. Prior work on spatially one-dimensional spreading over a precursor film having a random viscosity field (Xu and Jensen, Proc R Soc A 472:20160270, 2016) has demonstrated how viscosity fluctuations are swept into a narrow region behind the drop’s effective contact line, where they can impact drop dynamics. In this paper, we investigate two-dimensional drops, seeking to understand the relationship between the statistical properties of the precursor film and those of the spreading drop. Assuming the precursor film is much thinner than the drop and viscosity fluctuations are weak, we use asymptotic methods to derive explicit predictions for the mean and variance of drop area and the drop’s lateral drift. For larger film variability, we use Gaussian process emulation to estimate the variance of outcomes from a restricted set of simulations. Stochastic drift of the droplet is predicted to be the greatest when the initial drop diameter is comparable to the correlation length of viscosity fluctuations.     

汽-气液滴形管与圆管外凝结换热的研究

为了研究管型对汽-气凝结换热的影响和强化汽-气凝结换热过程,建立了汽-气在液滴形管与圆管外凝结换热所形成的气液膜的厚度及换热系数沿管壁分布的综合数学模型。通过有限差分的方法,以天然气燃烧产生的烟气为例对两种管型进行了计算比较。在有效换热面积相等的情况下,与圆管相比,液滴形管上半部分管径小,压力梯度大,有利于排液,下半部分表面曲率大,亦有利于排液;液滴形管表面形成的气膜薄,液膜亦薄,珠状凝结区域大,液珠尺寸小,凝结换热系数大;液滴形管对显热传递亦有一定的强化作用。通过实验对计算结果进行了比较验证,结果表明该模型亦适用于椭圆管和其它汽-气混合流体种类。     

汽气混合流凝结液膜形成机理研究

汽气混合流体凝结放热过程中凝结所形成的液膜厚度对换热效果的影响较大,因此通过探讨液膜厚度沿管壁的变化,有利于分析强化换热过程。以圆管为例,对汽气混合流体凝结所形成的液膜机理、沿管壁的分布规律及换热性能进行分析,并建立相应的物理及数学模型。通过给定初始条件进行计算,结果表明：液膜沿管壁向下流动过程中其厚度逐渐增加、换热性能逐渐降低;同时分析了管壁温度、汽气混合流体速度及管径等主要参数对液膜的形成及换热性能的影响,为强化凝结换热过程提供了理论基础。     

Spreading characteristics of nanofluid droplets impacting onto a solid surface

This paper reports an experimental investigation on the spreading characteristics of nanofluid droplets impinging on aluminum substrate under the influence of several key factors such as nanoparticle volume fraction, substrate temperature, and the Weber number. Sample nanofluid used is prepared by dispersing several volumetric concentrations (1 to 5%) of titanium dioxide nanoparticles in ethylene glycol. The entire dynamic process of each droplet collision with the substrate surface and the spreading phenomena is captured by using a high speed camera and then the transient spreading diameter and height of droplet are determined. It is found that the higher the concentration of nanoparticles the larger the spreading diameter of nanofluid droplet. As the surface temperature increases, the overall spreading diameter and height of nanofluid droplet significantly decreases and increases, respectively. At larger Weber number, the final spreading of the nanofluid droplet is also found to be larger than that of lower Weber number. Present results demonstrate that spreading characteristics of nanofluid droplets impacting onto solid surface are greatly influenced by each of the aforementioned factors.     

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,完全冻结时间越短;在冻结过程的初始时刻,接触角越小,液滴底部温度越低;当冻结时刻相同、液滴高度一致时,液滴表面的温度和液相分数均比液滴内部低;接触角相同时,溶液质量分数与液滴的开始冻结温度成反比,与完全冻结时间成正比。对比实验结果与模拟可知,不同质量分数的氯化钠液滴在接触角为60°和100°时,冻结时间的变化趋势一致,但实验值大于模拟值。     

Asymmetric distribution of falling film solution flowing on hydrophilic horizontal round tube

A two-dimension two phase flow model was established to simulate the falling film flow of LiBr solution on a horizontal hydrophilic tube with different solution sprinkle density and tube surface wettability, and the latter has been an overlook factor. The transient characteristics of solution spreading as well as steady film thickness were analyzed. The results show that a continuous film can only be obtained at sufficiently greater sprinkle density with real surface wettability, the liquid coverage of tube surface increases with the increase of sprinkle density or the decrease of static contact angle. The obvious asymmetric distributions of film thickness and film velocity over the horizontal tube surface are demonstrated in a steady state. The thinnest film thickness or maximum film velocity takes place at circumferential angle around 120°. A modified Nusselt equation for predicting the film thickness is suggested and verified by available both simulation and experimental data.