微空泡动力学特性的数值模拟及热空泡特性的实验研究

发布时间：2017-12-17 07:26

  本文关键词：微空泡动力学特性的数值模拟及热空泡特性的实验研究

  更多相关文章： 空泡 分子动力学 成核 生长特性 流动特性

【摘要】：近年来空泡在微流体系统,超空化减阻等领域得到广泛的应用,空泡的可控操作成为空泡动力学研究的最终目标。但由于缺乏对空泡动力学特性的了解,无论是在微流体系统中,还是超空化的应用中,空泡的产生均处于无序的状态,缺乏有效地控制,影响了空泡在应用中的使用效果。因此本文采用分子动力学模拟与实验研究相结合,分别对空化空泡,沸腾空泡以及气液混合空泡的动力学特性进行深入系统的研究。采用分子动力学模拟的方法对正则系综条件下的空化发生过程进行研究。模拟结果表明,液体的温度以及数密度均存在一个范围值,若液体的温度或数密度位于该范围值内,液体中能够发生空化,但产生的空泡较小,且稳定性较差。当温度或数密度低于该范围值,液体内部同样会发生空化,形成体积较大且稳定性较好的空泡。若液体温度或数密度高于该范围值,液体内部将不会有空化发生。同样采用分子动力学模拟的方法,对正则系综条件下空化空泡生长、溃灭过程的动力学特性进行分析。模拟结果表明,在温度较低的情况下,空泡能够维持稳定。但随着温度升高,空泡维持稳定的难度增大,空泡受到周围液体的挤压而溃灭。在溃灭的过程中,温度越高,空泡溃灭速度越快。温度从0.62上升到0.80,空泡溃灭时间缩短了60%,溃灭产生的射流冲击则降低了35%。此外,降低液体数密度,可以增强空泡的稳定性,并且数密度越小,空泡能够维持的体积越大。随着温度的升高,液体数密度对空泡稳定性的影响逐渐减弱。对单个沸腾空泡在微电极表面的成核以及生长过程进行了实验研究。实验结果表明,空泡的成核时间随微电极功率密度的增大以及环境压力的减小而缩短。其中,电极的功率密度从0.140 MW.m-2上升到0.169 MW.m-2,空泡的成核时间缩短17%；而压力从5 kPa降低至0 kPa,空泡成核时间缩短了3%。空泡的生长过程包括迅速生长阶段和动态平衡阶段,生长速度由快到慢。在迅速生长阶段的初期,微电极功率密度对空泡的生长起主导作用；而在该阶段的后期,环境压力是影响空泡生长的主要因素。空泡生长的最大半径,则是由微电极的功率密度和环境压力共同决定的。对气液混合空泡在微通道中电极表面的流动特性进行了实验研究。结果表明,在弱润湿性的电极表面(接触角155.5零),空泡的流动速度是强润湿性的表面(接触角10零)的1.13倍。加载电流以后,在电极功率密度5×10。kW.m-2,电流持续时间90 s的情况下,空泡的流动速度会降低2%。相反,强润湿性的电极加载电流能提高空泡在其表面的流动速度,且电极功率密度越大,电流加载时间越长,空泡流速越快。当电极功率密度从0 kW.m-2增大到5×102 kW.m-2,电流持续时间从0 s增加到150 s时,空泡的流动速度提高5%。但空泡流速加快的频率也会随着功率密度的增加或电流持续时间的延长而逐渐下降。
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661.1

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本文编号：1299274