水平铜板表面液滴冻结过程的数值模拟

为了探究水平铜板表面温度和液滴体积大小对液滴冻结过程的影响规律,以及冻结过程中液滴内部固液相界面变化和温度场分布,文中基于能量守恒原理,建立了单个静止液滴冻结的数值模型进行模拟研究.研究结果表明:液滴冻结过程中,固液相界面呈凹型状态;随着液滴冻结的进行,固液相界面推进速度呈先快后慢的变化趋势,模拟结果和对应的实验数据吻...     

单液滴撞击冷板面的实验和模拟

用实验和模拟的方法研究了直径为3.2 mm的单个蒸馏水液滴与冷板面（温度低于273 K）撞击铺展和固化过程,分析了撞击高度（100、250、500 mm）、板面温度（253、268 K）、板面倾角（0°、30°和60°）对撞击过程的影响以及液滴在冷板面上冻结过程。并模拟了单个普鲁兰多糖溶液液滴在撞击高度为100 mm、板面温度为253 K的过程。结果表明,撞击高度与板面温度对液滴在水平冷板面的铺展过程起到重要作用,板面倾角会影响液滴撞击倾斜板面时的冷冻沉积。物料的黏度会影响液滴冷冻沉积时的铺展速率及铺展直径,而对于较高黏度物料,温度并不起决定作用。模拟和实验结果吻合较好,反映了液滴铺展冻结过程中的温度变化,有利于直观解释液滴发生冻结的状况。     

单液滴撞击冷板面的实验和模拟

用实验和模拟的方法研究了直径为3.2 mm的单个蒸馏水液滴与冷板面(温度低于273 K)撞击铺展和固化过程,分析了撞击高度(100、250、500 mm)、板面温度(253、268 K)、板面倾角(0°、30°和60°)对撞击过程的影响以及液滴在冷板面上冻结过程。并模拟了单个普鲁兰多糖溶液液滴在撞击高度为100 mm、板面温度为253 K的过程。结果表明,撞击高度与板面温度对液滴在水平冷板面的铺展过程起到重要作用,板面倾角会影响液滴撞击倾斜板面时的冷冻沉积。物料的黏度会影响液滴冷冻沉积时的铺展速率及铺展直径,而对于较高黏度物料,温度并不起决定作用。模拟和实验结果吻合较好,反映了液滴铺展冻结过程中的温度变化,有利于直观解释液滴发生冻结的状况。     

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。     

伞罩型湿式脱硫除尘器气液固三相流数值模拟

从数值模拟和试验研究的角度对新型脱硫除尘装置——伞罩型湿式脱硫除尘器气液固三相的除尘特性进行研究。利用FLUENT软件在Euler坐标系中考察气固二相,采用欧拉模型来表述气固二相的相互关系;同时在Lagrange坐标系中考察液滴的运动,并把液滴对气固二相的影响耦合于欧拉模型中,提出了气液固三相的Euler/Euler/Lagrange模型。分析了气相速度场、气相压力场、固相速度场以及液滴质量浓度等的分布情况,得到了除尘情况下装置内气液固三相的分布规律。数值模拟结果与试验结果吻合良好,对装置运行及其优化设计有一定的理论指导意义。     

润湿性图案表面上的液滴侧向弹跳行为

表面润湿性不均匀会影响液滴撞击表面后的运动行为。通过液滴撞击润湿性图案表面,利用疏水表面上的亲水条纹可以实现液滴的侧向弹跳。实验过程中探究了不同的表面性质与撞击条件对液滴侧向弹跳运动行为的影响,为实现液滴定向弹跳提供了新的思路。实验结果表明,润湿性图案主要影响液滴撞击表面后的回缩过程,并且图案尺寸、液滴速度、液滴撞击位置均会对液滴撞击表面后的分裂以及侧向弹跳产生影响。通过实验获得了上述参数对液滴侧向弹跳的质量和距离的影响规律。     

激波与亚毫米液滴相互作用的二维和三维数值模拟研究

为了研究激波与亚毫米液滴相互作用过程,基于现有的实验结果,利用Fluent平台,采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型和k-ε湍流模型,通过二维数值模拟分析了不同韦伯数(We)对亚毫米液滴变形演化过程的影响规律,通过三维数值模拟揭示了亚毫米液滴爆炸式破碎机理。结果表明,韦伯数对液滴变形有促进作用,韦伯数越大,液滴在压缩变形阶段所需要的时间越短;在气动力不变的条件下,相同液滴直径条件下,马赫数越大,液滴所受的气动力越大,液滴质心位移的无量纲加速度越大,低韦伯数下液滴的横向展开速率随韦伯数增大而减小,而高韦伯数下液滴的横向展开速率随韦伯数增大而增大。数值模拟结果与对比实验结果相近,有效阐明了韦伯数对亚毫米液滴变形的作用。     

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。     

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。     

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。     

DSMC方法在大规模气固两相撞击流中的应用

将直接模拟Monte Carlo（DSMC）方法应用于颗粒数目庞大的大规模气固两相撞击流的数值模拟研究,旨在解决基于拉格朗日法模型难以模拟含大量颗粒碰撞的多相流问题,建立了气固两相撞击流的数理模型。应用所建立模型计算分析了撞击流中的气相流动、颗粒运动、颗粒及颗粒碰撞位置分布;并对模型中考虑颗粒碰撞和不考虑颗粒碰撞时,计算获得的颗粒运动行为、停留时间以及对气相的影响等结果进行了对比分析。结果表明：经发展,DSMC方法能够有效地应用于大规模气固两相撞击流的数值研究;颗粒运动区域可分为颗粒碰撞区、颗粒射流区和颗粒发散区;颗粒碰撞主要发生在颗粒碰撞区内,使得颗粒在该区域富集,且明显缩短颗粒在撞击区的停留时间;在所研究的较小固气比条件下,颗粒的存在对气相流动的影响不显著。     

撞击流内液滴碰撞后续发展行为

为了探索撞击流内液滴碰撞后续发展行为,设计搭建了由激光点光源和高速数码摄像机构成的高速数码摄像系统及气液两相撞击流实验平台。利用高速数码摄像系统记录下同轴对置气液两相撞击流中液滴碰撞导致的融合聚结或二次雾化过程,通过处理记录下的液滴运动过程图像,分析了进口液滴粒径、速度、黏度以及液滴碰撞角度等对撞击流中液滴碰撞结果的影响规律。结果表明：随着进口液滴粒径和速度的无限增大,液滴碰撞后最终发生炸裂;进口液滴黏度越小、表面张力越大、Ohnesorge数越小,液滴碰撞后越容易破碎;在本实验条件下,液滴同轴同向运动发生碰撞时,液滴碰撞后全部聚结,当液滴以一定角度发生斜碰时,碰撞后发生拉伸断裂,而当液滴同轴相向运动发生碰撞时,液滴碰撞后可能发生反射分离也可能炸裂。     

撞击速度对连续液滴撞击热圆柱壁面局部传热特性影响的实验

借助高速摄像机捕获连续液滴撞击热圆柱壁面后的动力学行为,通过直接测试与数值计算方法相结合,获得了不同撞击速度下沿周向和轴向的局部对流传热特性。结果表明,当液滴撞击速度较小,液膜未发生飞溅时,由于圆柱面的各向异性,沿轴向的对流传热系数单调减小,而沿周向,对流传热系数先减小后略有增大;根据对流传热系数沿周向的变化,将圆周划分为撞击区域、热扩散区域和尾部脱离区域;增大液滴撞击速度主要提高撞击区域和热扩散区域的对流传热系数,而对尾部脱离区域对流传热系数的影响并不明显。当液滴撞击速度超过某一临界值(在本文的实验条件下约为1.53 m/s)时,液膜发生飞溅,此时继续增大撞击速度,壁温的降低不再明显。     

同轴撞击流浓缩器的浓缩性能研究

从实验和理论上对撞击流浓缩器(ISC)进行了研究。实验主要研究了空气进口温度、空气进口流量、液滴加速管的长度对ISC容积蒸发系数的影响。研究结果表明:ISC的容积蒸发系数随空气进口流量的增加、空气进口温度的升高而增大;并证明,宜使用较短的加速管。在理论分析的基础上建立了ISC浓缩溶液的理论模型,借助基于该模型的数值计算,模拟了ISC内液滴的蒸发过程,通过与实验值的比较证明了模型的正确性。     

撞击流内液滴碰撞后续发展行为

为了探索撞击流内液滴碰撞后续发展行为,设计搭建了由激光点光源和高速数码摄像机构成的高速数码摄像系统及气液两相撞击流实验平台。利用高速数码摄像系统记录下同轴对置气液两相撞击流中液滴碰撞导致的融合聚结或二次雾化过程,通过处理记录下的液滴运动过程图像,分析了进口液滴粒径、速度、黏度以及液滴碰撞角度等对撞击流中液滴碰撞结果的影响规律。结果表明:随着进口液滴粒径和速度的无限增大,液滴碰撞后最终发生炸裂;进口液滴黏度越小、表面张力越大、Ohnesorge数越小,液滴碰撞后越容易破碎;在本实验条件下,液滴同轴同向运动发生碰撞时,液滴碰撞后全部聚结,当液滴以一定角度发生斜碰时,碰撞后发生拉伸断裂,而当液滴同轴相向运动发生碰撞时,液滴碰撞后可能发生反射分离也可能炸裂。     

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。     

水平撞击流干燥器连续相的数值研究

对于撞击流的研究主要停留在实验研究阶段,然而,实验研究受到时间、实验环境、实验设备等因素的限制。本文试图采用数值模拟的方法来研究水平撞击流干燥器中连续相流场的特性。通过比较,发现数值模拟的结果符合现有理论,从而验证了所建模型的正确性,并为今后进一步的理论研究和设计开发打下基础。     

同轴撞击流浓缩器浓缩溶液的理论研究

根据撞击流原理设计开发了一种新型溶液浓缩设备——撞击流浓缩器,在理论分析的基础上推导出撞击流浓缩器浓缩溶液的数学模型,运用实验结果验证了模型的正确性;基于该模型的数值计算结果,得到了浓缩器内气、液温度和速度及液滴浓度和累积蒸发量等沿轴向位移的变化。     

超疏水表面上液滴撞击动力学的研究

利用高速摄像技术研究了超疏水表面上液滴撞击过程的动力学。根据能量守恒观点理论研究了撞击液滴的最大铺展直径的关系式,理论推导过程不仅考虑了撞击过程中的表面能的变化,同时考虑了微结构缝隙中流体的粘性耗散作用,最终的理论关系式与实验结果相吻合。     

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。