粘性力和表面张力对液滴撞击超疏水管壁动力学特性的影响研究
发布时间：2022-02-17 14:57
利用相界面追踪的耦合水平集-流体体积（CLSVOF）方法,对液滴撞击超疏水管状壁面的动态特性展开研究,主要讨论粘性系数和表面张力系数对撞击过程的影响。研究结果表明:液滴粘性系数越小,液膜的铺展速度越快,回缩速度也越快,同时越早发生反弹,反弹高度也越大;随着表面张力系数的增大,液膜达到最大铺展所需时间减少,会阻碍液膜的铺展,但会促进其回缩,当表面张力系数为0.01 N/m时,液膜外边缘出现飞溅且液膜主体不发生反弹;还对液滴撞击超疏水管壁后出现的反弹、飞溅现象的机理展开分析。
【文章来源】：太阳能学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
撞击速度v为0.7 m/s时，实验和模拟结果中液滴形态变化过程的定性比较
不同Re下，铺展系数D*和无量纲液膜中心高度H*随无量纲时间t*的变化曲线如图5所示。图5a为不同Re下，液滴撞击管壁后的铺展系数D*随无量纲时间t*的变化曲线。从图中可看出，3组曲线的变化趋势都是D*随t*的增大先增大后减小，最终降为零（即发生反弹脱离壁面）；与此同时，液膜铺展系数的最大值随着Re的增大而增大，Re越大液膜回缩速度越快；而液膜整体反弹离开管壁的所需时间随Re的增大而减小，原因在于较小的粘性力使得液膜容易挣脱壁面，脱离时间会变短。图5b为不同Re下，液滴撞击管壁后的无量纲液膜中心高度H*随无量纲时间t*的变化曲线。由图可知，在不同粘性系数下，铺展阶段的无量纲液膜中心高度H*变化趋势均为先减小后增加，无量纲液膜中心高度在t*为4之前变化不大；随着时间的增加，3组曲线在t*为4之后变化明显：Re越大无量纲液膜中心高度H*越大，这主要是由于Re越大，粘性系数越小，其在铺展回缩过程中损失总能量越小，使得液滴有更多的能量支持其发生反弹，相应的反弹高度也就越大。2.2 表面张力系数的影响
本文选取表面张力系数σ分别为0.01、0.10和0.50 N/m，同时保持粘性系数μ为0.01 kg/（m·s）不变，数值模拟结果如图6和图7所示。从图6中发现，在不同表面张力系数下，液滴初始阶段都是在惯性力的主导作用下沿管壁铺展，当σ取0.01 N/m时（图6a），其相同时刻的铺展直径明显大于图6b、图6c（即b组和c组情况（2 ms）），主要是在表面张力系数小的情况下，动能向表面能的转换速度相对较慢；随着铺展的进行，液膜外缘会出现一组对称飞溅小液滴（4～6 ms），之后管壁上的液膜继续铺展至最大值后回缩，最终未发生反弹，液膜沉积在管壁上；出现这种现象的主要原因是由于表面张力过小，不足以维持液膜的一体性，使得液膜外缘在较大惯性力和重力的牵扯作用下产生飞溅，且液膜的总能量不足以引起反弹，液膜最终沉积在管壁上。当σ由0.10 N/m增至0.50 N/m时，由于表面张力的增大，液膜能越快发生回缩，在4.0 ms，σ为0.50 N/m时已发生反弹，而σ为0.1 N/m时则未发生反弹。液滴的表面张力系数与无量纲参数We密切相关：
【参考文献】：
期刊论文
[1]液滴撞击超疏水管状壁面的动态特性研究[J]. 刘晓华,赵一鸣,陈石,沈胜强,王斯琦. 热科学与技术. 2017(04)
[2]水平管降膜蒸发器中液膜厚度周向分布研究[J]. 朱晓静,邱庆刚,权生林,沈胜强. 太阳能学报. 2016(12)
[3]液滴撞击超疏水壁面反弹及破碎行为研究[J]. 刘冬薇,宁智,吕明,阎凯,孙春华. 计算力学学报. 2016(01)
[4]液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究[J]. 毕菲菲,郭亚丽,沈胜强,陈觉先,李熠桥. 物理学报. 2012(18)
本文编号：3629611
【文章来源】：太阳能学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
撞击速度v为0.7 m/s时，实验和模拟结果中液滴形态变化过程的定性比较
不同Re下，铺展系数D*和无量纲液膜中心高度H*随无量纲时间t*的变化曲线如图5所示。图5a为不同Re下，液滴撞击管壁后的铺展系数D*随无量纲时间t*的变化曲线。从图中可看出，3组曲线的变化趋势都是D*随t*的增大先增大后减小，最终降为零（即发生反弹脱离壁面）；与此同时，液膜铺展系数的最大值随着Re的增大而增大，Re越大液膜回缩速度越快；而液膜整体反弹离开管壁的所需时间随Re的增大而减小，原因在于较小的粘性力使得液膜容易挣脱壁面，脱离时间会变短。图5b为不同Re下，液滴撞击管壁后的无量纲液膜中心高度H*随无量纲时间t*的变化曲线。由图可知，在不同粘性系数下，铺展阶段的无量纲液膜中心高度H*变化趋势均为先减小后增加，无量纲液膜中心高度在t*为4之前变化不大；随着时间的增加，3组曲线在t*为4之后变化明显：Re越大无量纲液膜中心高度H*越大，这主要是由于Re越大，粘性系数越小，其在铺展回缩过程中损失总能量越小，使得液滴有更多的能量支持其发生反弹，相应的反弹高度也就越大。2.2 表面张力系数的影响
本文选取表面张力系数σ分别为0.01、0.10和0.50 N/m，同时保持粘性系数μ为0.01 kg/（m·s）不变，数值模拟结果如图6和图7所示。从图6中发现，在不同表面张力系数下，液滴初始阶段都是在惯性力的主导作用下沿管壁铺展，当σ取0.01 N/m时（图6a），其相同时刻的铺展直径明显大于图6b、图6c（即b组和c组情况（2 ms）），主要是在表面张力系数小的情况下，动能向表面能的转换速度相对较慢；随着铺展的进行，液膜外缘会出现一组对称飞溅小液滴（4～6 ms），之后管壁上的液膜继续铺展至最大值后回缩，最终未发生反弹，液膜沉积在管壁上；出现这种现象的主要原因是由于表面张力过小，不足以维持液膜的一体性，使得液膜外缘在较大惯性力和重力的牵扯作用下产生飞溅，且液膜的总能量不足以引起反弹，液膜最终沉积在管壁上。当σ由0.10 N/m增至0.50 N/m时，由于表面张力的增大，液膜能越快发生回缩，在4.0 ms，σ为0.50 N/m时已发生反弹，而σ为0.1 N/m时则未发生反弹。液滴的表面张力系数与无量纲参数We密切相关：
【参考文献】：
期刊论文
[1]液滴撞击超疏水管状壁面的动态特性研究[J]. 刘晓华,赵一鸣,陈石,沈胜强,王斯琦. 热科学与技术. 2017(04)
[2]水平管降膜蒸发器中液膜厚度周向分布研究[J]. 朱晓静,邱庆刚,权生林,沈胜强. 太阳能学报. 2016(12)
[3]液滴撞击超疏水壁面反弹及破碎行为研究[J]. 刘冬薇,宁智,吕明,阎凯,孙春华. 计算力学学报. 2016(01)
[4]液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究[J]. 毕菲菲,郭亚丽,沈胜强,陈觉先,李熠桥. 物理学报. 2012(18)
本文编号：3629611
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3629611.html
