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非牛顿流体液滴铺展过程的格子Boltzmann模拟

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热科学与技术 2013年第4期12卷 335-341页

作者：闵琪段远源王晓东吴莘馨清华大学核能与新能源技术研究院北京100084 清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室北京102206

格子Boltzmann可有效模拟气液两相流动,成功应用于牛顿流体动态湿润领域和非牛顿流体单相流动领域的研究。将牛顿流体的两相流动格子Boltzmann模型与非牛顿流体单相流动格子Boltzmann模型相结合,建立了幂指流体两相流动格子Boltzmann模... 详细信息

格子Boltzmann可有效模拟气液两相流动,成功应用于牛顿流体动态湿润领域和非牛顿流体单相流动领域的研究。将牛顿流体的两相流动格子Boltzmann模型与非牛顿流体单相流动格子Boltzmann模型相结合,建立了幂指流体两相流动格子Boltzmann模型,模拟了牛顿流体和幂指流体液滴铺展过程,并将液滴半径随时间的变化规律模拟结果与液滴铺展理论模型进行了比较,对两类流体的铺展指数与流变指数变化关系进行了分析讨论。

关键词：格子Boltzmann 非牛顿流体液滴铺展动态湿润幂指流体

基于格子玻尔兹曼方法的低We数液滴铺展凝固模拟研究

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低温工程 2023年第2期 32-39页

作者：李湛全晓军上海交通大学机械与动力学院上海200240

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... 详细信息

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。

关键词：数值模拟液滴碰撞液滴铺展凝固格子玻尔兹曼方法

非平整基底上含表面活性剂液滴铺展中的指进现象与分形特性

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华北电力大学学报:自然科学版 2023年第5期50卷 116-126页

作者：郭馨声李春曦苏浩哲叶学民华北电力大学能源动力与机构工程学院河北保定071003 河北省低碳高效发电技术重点实验室(华北电力大学) 河北保定071003

含表面活性剂液滴在铺展过程中将形成复杂的指进现象。基于润滑理论,采用FreeFem++软件数值求解了非平整基底上液膜厚度和活性剂浓度的二维演化方程,得到了指进现象的非线性特征,分析了不同基底形貌下的液膜厚度和扰动能量变化,并采用... 详细信息

含表面活性剂液滴在铺展过程中将形成复杂的指进现象。基于润滑理论,采用FreeFem++软件数值求解了非平整基底上液膜厚度和活性剂浓度的二维演化方程,得到了指进现象的非线性特征,分析了不同基底形貌下的液膜厚度和扰动能量变化,并采用分形维数和手指方差探讨了指进现象中的分裂和屏蔽现象。研究表明:对于相同形貌的基底,增大基底粗糙度促使扰动强度增加,粗糙度与超薄液膜区的扰动能量成正相关;手指的分形维数受粗糙度与基底横流影响,仅有一维凹槽基底促进扰动增强;与凹槽基底相比,波纹基底对粗糙度的敏感性更强,其扰动能量随粗糙度的变化更突出。增加基底沿y方向的变化将加速手指的分裂,而增加基底粗糙度则强化手指的屏蔽效应。

关键词：液滴铺展指进现象基底形貌分裂与屏蔽效应

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基于毫米级悬臂梁的液滴铺展动态特性研究

基于毫米级悬臂梁的液滴铺展动态特性研究

作者：庄舒雅天津大学

学位级别：硕士

液滴在固体表面的铺展现象广泛存在于生产生活中,不同的应用场景对于液滴铺展的动态特性有着不同的需要,从力学角度对于液滴铺展的动态特性进行定量分析和实验研究具有重要的意义。本文结合国内外现有的液滴铺展动态特性研究方法的优势... 详细信息

液滴在固体表面的铺展现象广泛存在于生产生活中,不同的应用场景对于液滴铺展的动态特性有着不同的需要,从力学角度对于液滴铺展的动态特性进行定量分析和实验研究具有重要的意义。本文结合国内外现有的液滴铺展动态特性研究方法的优势和不足,提出了一种基于毫米级悬臂梁的力学测量方法和电学测量方法相结合的液滴铺展动态特性测量方案,并对液滴铺展过程中的动态特性进行了实验研究,探究了液滴铺展过程中的受力与液滴的体积、黏度之间的关系。本论文的主要研究工作如下:1.对国内外现有的液滴铺展动态特性的实验研究方法进行了研究和分析,结合现有研究方法的不足,提出了以毫米级悬臂梁为力值敏感元件的光杠杆力值测量方法和电学测量方法相结合的液滴铺展动态特性测量方案。2.对液滴铺展过程中的动态特性进行了理论分析,主要研究了液滴铺展过程中其接触半径和径向受力随时间的变化,以及液滴铺展过程中的三个阶段:黏性-惯性交叉作用阶段、惯性力主导阶段和黏性力主导阶段,并对影响液滴铺展动态特性的因素(液滴的半径和物理特性)进行了分析。采用XFlow软件对液滴铺展过程进行了仿真分析,并对液滴的接触半径和黏度之间的关系进行了仿真分析。3.设计了一种基于毫米级悬臂梁和RC电路的液滴铺展动态特性测量系统,将光杠杆力值测量原理和电学部分原理相结合,设计了液滴铺展动态特性的测量方案;基于微纳力值的电学复现原理,设计了以静电力为标准载荷的光杠杆力灵敏度S的标定方案。基于以上原理搭建了液滴铺展动态特性测量装置和光杠杆力灵敏度S标定装置,并进行标定实验,测得S的标定结果为8.847μN/V。4.基于搭建好的测量装置对液滴铺展过程中的动态特性进行实验研究,测量其铺展过程中竖直方向受力随时间的变化;进行不同体积、不同黏度的液滴铺展动态特性测量实验,研究液滴的体积和黏度对于液滴铺展动态特性的影响。进行重复性实验,测得实验结果的最大相对标准差为0.835%;并对测量结果进行了不确定度分析,得到动态力值测量的相对合成标准不确定度为1.684%。

关键词：液滴铺展动态特性悬臂梁静电力光杠杆

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含活性剂液滴铺展过程中的指进现象研究

含活性剂液滴铺展过程中的指进现象研究

作者：王媛媛华北电力大学

学位级别：硕士

含有活性剂的液滴或溶液放置在预置液膜上或者放置在固体壁面时,表面活性剂浓度梯度将驱动液滴向周围铺展,并且在液膜前沿处呈现出复杂的指进现象,指进现象中手指会出现大量的分岔,合并和尖端分裂等复杂的非线性特性,这一铺展过程中的... 详细信息

含有活性剂的液滴或溶液放置在预置液膜上或者放置在固体壁面时,表面活性剂浓度梯度将驱动液滴向周围铺展,并且在液膜前沿处呈现出复杂的指进现象,指进现象中手指会出现大量的分岔,合并和尖端分裂等复杂的非线性特性,这一铺展过程中的稳定性研究已成为流体力学、胶体和表面科学领域的前沿课题,是一个学科交叉的研究热点。本文针对含活性剂的液滴在预置液膜上的铺展过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和活性剂浓度演化模型,通过数值模拟得到了液滴铺展过程中出现的指进现象及相关参数对其的影响。主要内容包括:(1)针对平整基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,根据润滑理论,得到其液膜厚度和活性剂浓度的演化方程组,在初始液膜厚度方程中添加初始扰动,通过FREEFEM程序模拟了含不溶性活性剂液滴铺展过程中出现的指进现象;并比较了初始扰动改变后的指进现象特征,根据模拟得出的数据得到了液膜厚度的功率谱图以及影响液滴铺展的最危险扰动波数。(2)针对不同的初始条件下,利用FREEFEM程序进行数值模拟,分析了预置液膜厚度、初始活性剂浓度、毛细数C和基底对指进现象中指长与指宽的影响,并通过计算分形维数得到了影响指进现象中手指分叉程度的因素。

关键词：液滴铺展润滑理论指进现象功率谱分形维数

铜基微纳结构表面液滴铺展及流动沸腾换热特性研究

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铜基微纳结构表面液滴铺展及流动沸腾换热特性研究

作者：李雪丽吉林大学

学位级别：硕士

微纳结构热功能表面是一种强化传热传质的特殊功能表面。利用各种表面加工技术获得的特定的微纳结构,也会对表面的润湿性产生重要影响。本文利用激光烧蚀和氧化还原相结合的方式,制备了具有微纳结构的超亲水表面,应用试验和数值模拟相... 详细信息

微纳结构热功能表面是一种强化传热传质的特殊功能表面。利用各种表面加工技术获得的特定的微纳结构,也会对表面的润湿性产生重要影响。本文利用激光烧蚀和氧化还原相结合的方式,制备了具有微纳结构的超亲水表面,应用试验和数值模拟相结合的方式对比研究了液滴撞击光滑表面和微纳超亲水表面的形态变化过程及液滴内部流场变化,并利用自行搭建的过冷流动沸腾试验台研究了微纳结构和表面润湿性对沸腾换热性能的影响。首先选取紫铜为基体材料,采用不同目数的砂纸对其进行打磨、金相试样抛光机结合金刚石研磨膏抛光表面,制备了具有镜面效果的光滑表面试验样件,其表面接触角为65°。采用激光烧蚀方法获得了接触角为19°的微结构表面,在此基础上,进一步利用氧化还原反应得到了微纳结构超亲水表面,并利用Wenzel模型对其超亲水特性进行了分析。采用两台高速摄像机分别从俯视和侧视两个角度,记录了不同We数下,液滴撞击光滑表面和微纳结构表面的铺展过程中的形态演变过程,并利用L9(21×33)混合正交试验分析了不同微纳结构对表面铺展特性的影响。研究结果表明:液滴撞击光滑表面和微纳结构表面表现出不同的形态及铺展特性。液滴撞击光滑表面后快速铺展,其三相接触线在达到最大直径后开始回缩,在回缩过程中液滴出现明显的振荡松弛过程,经较多次振荡回缩后液滴以球冠状保持稳定状态。液滴撞击微纳结构超亲水表面后三相接触线持续向外铺展,而只有中心位置的液体会在表面张力的作用下发生极少次的回缩振荡。在铺展初期,低We数下,光滑表面的液滴铺展直径大于微纳结构表面,而高We数下,微纳结构表面的液滴铺展直径一直大于光滑表面。对9个表面的铺展性能进行极差分析发现,影响表面铺展性能的主次因素依次为:微结构形状、氧化还原反应时间、微结构尺寸、微结构间距。基于VOF方法,对液滴撞击光滑表面和微纳结构表面的形变、气液界面的速度分布、中心截面的轮廓形变过程以及不同截面内的速度分布进行了数值模拟分析。液滴撞击表面后最大速度出现在中心位置液体与液膜连接处,且速度从此处沿径向逐渐减小。液滴在微纳结构表面的铺展速度大于在光滑表面的铺展速度。在微纳结构表面由于微方柱的矩形阵列,液滴在铺展过程中呈现出与光滑表面不同的形状变化。液滴撞击微纳结构表面不同截面的速度分布没有表现出明显差异,其原因是由于微结构的高度太小,所以在垂直方向没有对速度场产生明显影响。采用自行搭建的过冷流动沸腾试验台对9个表面进行了强化换热性能研究,并应用极差分析得出了影响强化换热性能的主次因素和最优组合。结果表明:9个微纳结构表面的换热性能都优于光滑表面。在四个因素中,微结构的形状对强化沸腾换热的影响最大,其次为微结构尺寸、微结构间距以及氧化还原反应时间。微纳结构表面强化沸腾换热的原因可表述为:微纳结构在一定程度上增加了表面的换热面积;微纳结构表面相比光滑表面气泡的成核密度减小,脱离直径也减小,但气泡的脱离频率较高。9个微纳结构表面相比光滑表面呈现出更加亲水的特性,说明在本文所设工况下,表面润湿性的增加对表面的沸腾换热性能起到强化作用。

关键词：微纳结构超亲水液滴铺展沸腾换热

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液滴铺展过程的能量转换

力学研究 2018年第4期7卷 121-125页

作者：温原浙江瑞堂塑料科技有限公司浙江宁波

普遍的观点认为,液滴铺展过程中,表面能参与了粘性损耗。但通过球缺型假设模型进行理论分析,结果表明,铺展过程中系统的内能(分子动能除外)守恒,无损耗,表面能、粘附能和变形能相互转化。粘性耗散的能量来源只可能是系统的机械能。在液... 详细信息

普遍的观点认为,液滴铺展过程中,表面能参与了粘性损耗。但通过球缺型假设模型进行理论分析,结果表明,铺展过程中系统的内能(分子动能除外)守恒,无损耗,表面能、粘附能和变形能相互转化。粘性耗散的能量来源只可能是系统的机械能。在液滴铺展过程中,表面张力的水平分量做功引发了系统内能的转换,表面张力的垂直分量做功参与了粘性耗散过程。

关键词：粘性耗散能量表面张力液滴铺展

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非牛顿幂律流体液滴铺展特性

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2008年第6期24卷 1060-1065页

作者：吴延鹏王晓东张欣欣北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 北京科技大学机械工程学院北京100083

目的研究假塑性流体和胀流型流体在显微镜载玻片及云母表面上的铺展动力学.方法采用液滴铺展法测试两种流体在毛细区铺展半径随铺展时间的变化关系.结果对于完全浸润系统,铺展半径随时间的演化可用幂指关系表示,其中假塑性流体铺展指数... 详细信息

目的研究假塑性流体和胀流型流体在显微镜载玻片及云母表面上的铺展动力学.方法采用液滴铺展法测试两种流体在毛细区铺展半径随铺展时间的变化关系.结果对于完全浸润系统,铺展半径随时间的演化可用幂指关系表示,其中假塑性流体铺展指数m小于0.1,胀流型流体铺展指数m大于0.1.m小于0.1时铺展速率低于牛顿流体,m大于0.1时铺展速率高于牛顿流体,同时流体非牛顿效应越强,铺展指数偏离牛顿流体理论值0.1越大.部分浸润系统,铺展半径与时间呈非单一幂指函数关系.结论笔者提出的指数关系R描述其铺展的规律,可很好描述整个铺展过程液滴半径随时间的演化.假塑性流体和胀流型流体铺展定律与牛顿流体显著不同,幂指数n是影响铺展定律的关键参数.

关键词：幂律流体假塑性流体胀流型流体液滴铺展非牛顿流体

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不同初始条件下液滴铺展过程中的指进特征

电力科学与工程 2016年第6期32卷 14-21页

作者：王媛媛薛全喜李春曦华北电力大学能源动力与机械工程学院河北保定071003

针对含活性剂液滴在预置液膜上铺展过程中形成的指进现象,基于润滑理论建立的液膜厚度和活性剂浓度演化模型,通过数值模拟得到了不同初始条件下的指进特性,并利用分形维数分析了指进现象的非线性特征。研究表明:液滴铺展过程中,在液滴... 详细信息

针对含活性剂液滴在预置液膜上铺展过程中形成的指进现象,基于润滑理论建立的液膜厚度和活性剂浓度演化模型,通过数值模拟得到了不同初始条件下的指进特性,并利用分形维数分析了指进现象的非线性特征。研究表明:液滴铺展过程中,在液滴底部液膜最薄区产生指进现象;随预置液膜厚度增加,铺展范围扩大,指长缩短;随初始活性剂浓度降低,铺展范围缩小,指长减小;增加毛细数,指长变短、手指密度减小,手指分叉程度也显著减小;指宽在铺展中后期呈现波动特征;增大预置液膜厚度或毛细数、降低初始活性剂浓度,均使指进现象的分形维数减少,即手指的分叉程度减弱,减小了铺展过程不稳定性特征。

关键词：液滴铺展初始条件指进现象分形维数