液滴撞击球面的撞击力特性数值研究
发布时间：2021-10-10 10:20
液滴撞击固体表面现象在很多领域十分常见且有重要作用。液滴撞击固体表面的撞击力特性是液滴撞击固体表面过程研究的重要特性之一,其研究近年来受到很多学者关注。该文采用有限体积法和VOF（Volume of Fluid）方法,通过Fluent仿真软件数值研究了液滴撞击球形表面产生的撞击力特性。数值计算结果表明,球面直径对液滴撞击其表面的撞击力有显著影响,在其它撞击条件相同情况下,球面直径越小,液滴撞击力峰值越小,撞击力峰值出现时间越早。通过分析数值计算结果,得到了无量纲撞击力随无量纲时间的变化曲线。数值计算结果也揭示了撞击力达到峰值时的液滴形态特征。
【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2020,35(02)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同表面张力系数的液滴撞击力Fig.10Impactforceofdropletswithdifferentsurfacetensioncoefficients
水动力学研究与进展A辑2020年第2期224液体表面张力采用连续表面力模型（CFS）计算。根据文献[20]结果，接触角对液滴撞击固体平面产生的撞击力影响很小，因此，在本文计算中液滴在固体表面上接触角取为定值。数值计算采用二维柱坐标，计算区域如图1。图1网格划分示意图Fig.1Imagesofmeshmodel边界条件：①球面采用无滑移边界条件；②对称轴上，物理量的法向导数为零；③其他边界均为压力条件（计算在液滴触及计算域下边界前结束）。初始条件：①液滴初始直径为0D；②液滴初始速度为0U，速度方向垂直向下；③液滴在初始时位于球面正上方，且液滴底部距离球面1.5mm。经网格无关性验证，网格数为130000时，计算满足计算精度要求。因此，计算时都采用上述网格数。为了验证数值方法的可靠性，将数值结果所得撞击力与实验结果进行比较。实验采用压电微力传感器测量液滴撞击力，采用高速摄影仪记录液滴撞击过程，通过图像分析得到液滴直径和撞击速度。实验测量了直径3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞击直径20mm的球面的撞击力。采用上述实验结果验证数值计算的正确性，如图2所示，数值计算的撞击力峰值略大于实验测量结果，计算和实验结果在撞击初期和后期均较好地吻合。因此，上述数值方法可以较好地计算液滴撞击固体表面过程以及撞击过程产生的撞击力。图2直径3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞击直径20mm的球面的撞击力实验与数值计算结果的比较Fig.2Comparisonbetweenexperimentalandnumericalresultsofimpactforceofdropletwithdiameterof3.6mmimpactingonsphericalsurfacewithdiameterof20mmatthevelocityof3.132m/
为0U，速度方向垂直向下；③液滴在初始时位于球面正上方，且液滴底部距离球面1.5mm。经网格无关性验证，网格数为130000时，计算满足计算精度要求。因此，计算时都采用上述网格数。为了验证数值方法的可靠性，将数值结果所得撞击力与实验结果进行比较。实验采用压电微力传感器测量液滴撞击力，采用高速摄影仪记录液滴撞击过程，通过图像分析得到液滴直径和撞击速度。实验测量了直径3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞击直径20mm的球面的撞击力。采用上述实验结果验证数值计算的正确性，如图2所示，数值计算的撞击力峰值略大于实验测量结果，计算和实验结果在撞击初期和后期均较好地吻合。因此，上述数值方法可以较好地计算液滴撞击固体表面过程以及撞击过程产生的撞击力。图2直径3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞击直径20mm的球面的撞击力实验与数值计算结果的比较Fig.2Comparisonbetweenexperimentalandnumericalresultsofimpactforceofdropletwithdiameterof3.6mmimpactingonsphericalsurfacewithdiameterof20mmatthevelocityof3.132m/s2计算结果及分析为研究液滴撞击球形表面产生的撞击力特性，数值模拟了多种直径的液滴以不同速度撞击多种直径的球面的撞击过程，还研究了液滴黏性和表面张力对液滴撞击力的影响。2.1被撞击球形表面半径对撞击力的影响为研究球体半径对液滴撞击表面产生的撞击力大小的影响，计算了液滴撞击半径为2.5mm、5mm和10mm的球表面的撞击过程，计算中保持液滴大小和撞击速度不变。图3、图4和图5分别显示了直径为2mm、3mm和4mm的液滴以2m/s的速度撞击半径为2.5mm、
【参考文献】：
期刊论文
[1]液滴与水平壁面碰撞力的数值研究[J]. 张彬,韩强,袁小芳,李景银. 西安交通大学学报. 2013(09)
[2]液滴撞击固体球面行为特性的数值研究[J]. 汪焰恩,周金华,秦琰磊,李鹏林,杨明明,韩琴,王月波,魏生民. 振动与冲击. 2012(20)
本文编号：3428189
【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2020,35(02)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同表面张力系数的液滴撞击力Fig.10Impactforceofdropletswithdifferentsurfacetensioncoefficients
水动力学研究与进展A辑2020年第2期224液体表面张力采用连续表面力模型（CFS）计算。根据文献[20]结果，接触角对液滴撞击固体平面产生的撞击力影响很小，因此，在本文计算中液滴在固体表面上接触角取为定值。数值计算采用二维柱坐标，计算区域如图1。图1网格划分示意图Fig.1Imagesofmeshmodel边界条件：①球面采用无滑移边界条件；②对称轴上，物理量的法向导数为零；③其他边界均为压力条件（计算在液滴触及计算域下边界前结束）。初始条件：①液滴初始直径为0D；②液滴初始速度为0U，速度方向垂直向下；③液滴在初始时位于球面正上方，且液滴底部距离球面1.5mm。经网格无关性验证，网格数为130000时，计算满足计算精度要求。因此，计算时都采用上述网格数。为了验证数值方法的可靠性，将数值结果所得撞击力与实验结果进行比较。实验采用压电微力传感器测量液滴撞击力，采用高速摄影仪记录液滴撞击过程，通过图像分析得到液滴直径和撞击速度。实验测量了直径3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞击直径20mm的球面的撞击力。采用上述实验结果验证数值计算的正确性，如图2所示，数值计算的撞击力峰值略大于实验测量结果，计算和实验结果在撞击初期和后期均较好地吻合。因此，上述数值方法可以较好地计算液滴撞击固体表面过程以及撞击过程产生的撞击力。图2直径3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞击直径20mm的球面的撞击力实验与数值计算结果的比较Fig.2Comparisonbetweenexperimentalandnumericalresultsofimpactforceofdropletwithdiameterof3.6mmimpactingonsphericalsurfacewithdiameterof20mmatthevelocityof3.132m/
为0U，速度方向垂直向下；③液滴在初始时位于球面正上方，且液滴底部距离球面1.5mm。经网格无关性验证，网格数为130000时，计算满足计算精度要求。因此，计算时都采用上述网格数。为了验证数值方法的可靠性，将数值结果所得撞击力与实验结果进行比较。实验采用压电微力传感器测量液滴撞击力，采用高速摄影仪记录液滴撞击过程，通过图像分析得到液滴直径和撞击速度。实验测量了直径3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞击直径20mm的球面的撞击力。采用上述实验结果验证数值计算的正确性，如图2所示，数值计算的撞击力峰值略大于实验测量结果，计算和实验结果在撞击初期和后期均较好地吻合。因此，上述数值方法可以较好地计算液滴撞击固体表面过程以及撞击过程产生的撞击力。图2直径3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞击直径20mm的球面的撞击力实验与数值计算结果的比较Fig.2Comparisonbetweenexperimentalandnumericalresultsofimpactforceofdropletwithdiameterof3.6mmimpactingonsphericalsurfacewithdiameterof20mmatthevelocityof3.132m/s2计算结果及分析为研究液滴撞击球形表面产生的撞击力特性，数值模拟了多种直径的液滴以不同速度撞击多种直径的球面的撞击过程，还研究了液滴黏性和表面张力对液滴撞击力的影响。2.1被撞击球形表面半径对撞击力的影响为研究球体半径对液滴撞击表面产生的撞击力大小的影响，计算了液滴撞击半径为2.5mm、5mm和10mm的球表面的撞击过程，计算中保持液滴大小和撞击速度不变。图3、图4和图5分别显示了直径为2mm、3mm和4mm的液滴以2m/s的速度撞击半径为2.5mm、
【参考文献】：
期刊论文
[1]液滴与水平壁面碰撞力的数值研究[J]. 张彬,韩强,袁小芳,李景银. 西安交通大学学报. 2013(09)
[2]液滴撞击固体球面行为特性的数值研究[J]. 汪焰恩,周金华,秦琰磊,李鹏林,杨明明,韩琴,王月波,魏生民. 振动与冲击. 2012(20)
本文编号：3428189
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