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多液滴冲击固体壁面和液膜实验研究

多液滴冲击固体壁面和液膜实验研究

作者：余海兵大连理工大学

学位级别：硕士

液滴冲击现象常见于能源、化工、航空航天等工业应用中,因其良好的传热和传质能力引起了众多学者的关注。实际过程中,液滴冲击更多体现为多液滴冲击,而非单液滴冲击。多液滴冲击区别于单液滴冲击的最主要特征在于相邻液滴间的相互作用... 详细信息

液滴冲击现象常见于能源、化工、航空航天等工业应用中,因其良好的传热和传质能力引起了众多学者的关注。实际过程中,液滴冲击更多体现为多液滴冲击,而非单液滴冲击。多液滴冲击区别于单液滴冲击的最主要特征在于相邻液滴间的相互作用或单个液滴产生的不同现象间的相互作用。由于缺乏对此类相互作用的知识,采用单液滴关联式预测实际过程中的热质传递能力时,往往产生较大偏差。本文采用高速摄像技术,对多液滴冲击固体表面及液膜过程中的流动问题进行了系统、深入的研究。首先,研究了同步与异步多液滴冲击固体表面的界面演变过程,讨论了液滴竖直间距、水平间距以及冲击速度对中间薄膜射流高度和组合液滴铺展因子的影响。结果表明,随着液滴竖直间距的增大,黏滞耗散增大,中间薄膜射流高度减小,铺展因子先减小后增大。液滴水平间距增大时,铺展因子增大而中间薄膜射流高度减小,但是随着冲击速度的增大,液滴水平间距的影响逐渐减弱。其次,研究了液滴-液膜相互作用的成波和运动过程,讨论了毛细波的波动直径、动态波长和传播速度,并给出了相应的预测方法。结果表明,韦伯数的增加对波的传播有一定的抑制作用,但韦伯数越大,这种影响越不明显。特别对于高黏流体,波的传播对韦伯数非常不敏感。基于运动不连续理论,建立了毛细波的波动直径和动态波长的预测方法。再次,研究了低速冲击液滴与固着液滴在平板上的相互作用过程,讨论了最大铺展因子、最小高度、不稳定持续时间、振荡周期、以及高度变化与韦伯数和偏心距离之间的关系。结果表明,随着偏心距离的增加,回缩侧的边缘厚度明显减小;组合液滴的高度比直径更能代表液体振荡特征,据此将相互作用分为四个阶段:冲击阶段、非稳态阻尼振荡阶段、稳态阻尼振荡阶段和平衡阶段。最后,研究了多液滴冲击液膜后的演变过程,重点讨论了液滴竖直间距、水平间距、冲击速度以及液膜厚度等参数对液冠高度、液冠底部直径以及中间薄膜射流高度的影响。结果表明,随着竖直间距的增大,中间薄膜射流高度减小,液冠高度呈现出先减小后增大趋势。液冠底部直径随液滴竖直间距增大而减小,随水平间距增大无明显变化。随着液滴水平间距增大,中间薄膜射流高度减小,液冠高度先增大后减小。冲击速度的增大对上述特征参数的变化均具有正面作用。随着液膜厚度的增大,液冠高度出现先增大后减小的趋势,液冠底部直径无明显变化,中间薄膜射流高度逐渐增大。

关键词：液滴冲击多液滴中间射流毛细波振荡特性

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多液滴撞击液膜过程的数值模拟研究

多液滴撞击液膜过程的数值模拟研究

作者：郑明飞长沙理工大学

学位级别：硕士

液滴撞击现象和运用广泛存在于自然界和工、农业领域中,对液滴撞击过程的研究有着重要意义。前人对于液滴撞击固壁表面和深水液池的现象进行了许多研究,但是对于液滴撞击液膜,尤其是多液滴撞击液膜过程的研究较少。本文采用数值模拟作... 详细信息

液滴撞击现象和运用广泛存在于自然界和工、农业领域中,对液滴撞击过程的研究有着重要意义。前人对于液滴撞击固壁表面和深水液池的现象进行了许多研究,但是对于液滴撞击液膜,尤其是多液滴撞击液膜过程的研究较少。本文采用数值模拟作为研究方法,对单、双、三液滴撞击液膜的过程进行了模拟,研究了多液滴撞击液膜的流动过程和动力学特性。首先,建立单、双、三液滴撞击液膜过程的二维数值模型。基于数值模拟结果,研究了不同个数液滴分别撞击液膜的流动过程,通过对比分析各情况下撞击过程中的速度分布和压力分布随时间的变化情况,对液滴撞击液膜的变化过程进行阐述,讨论了不同个数的液滴撞击液膜流动过程的差异性;通过对比分析各情况下水花、中心射流、空腔的特征参数变化曲线,讨论了不同个数液滴撞击液膜过程的变化特征的差异性。该研究得到的结论是:与单液滴情况相比,双、三液滴情况除了单个液滴自身撞击产生的流动现象外,液滴两两之间也会产生相互影响,流动过程与单液滴区别较大。其次,基于单、双、三液滴撞击液膜的二维数值模型,分别模拟不同撞击速度、初始液膜厚度、液滴间距下的撞击过程,研究不同撞击参数对于撞击过程的影响。通过对比不同撞击参数下自由液面的演化过程,得出了撞击参数变化对于水花、中心射流、空腔形态的影响;随后对比分析了不同撞击参数下,水花、中心射流、空腔的特征参数变化曲线的趋势,讨论各个撞击参数的影响规律。结果表明,撞击速度对于液滴撞击过程影响较大,且随着液滴个数变化,产生的影响有所区别;初始液膜厚度变化对于撞击过程中自由液面的形态变化几乎没有影响;液滴间距变化是影响中心射流形态和特征参数的主要因素。

关键词：多液滴撞击液膜流动过程动力学特性

多液滴冲击薄液膜流动与传热三维数值模拟研究

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多液滴冲击薄液膜流动与传热三维数值模拟研究

作者：张天宇大连理工大学

学位级别：硕士

液滴冲击现象中流动与质热交换过程一直是学术界研究热点,对冲击过程中特殊现象与作用机理的深入探索有助于提高相关工业应用水平,例如喷雾冷却、农业灌溉、冶金冶炼、航天航空和电子设备等,也可为此类工业技术发展提供重要的理论依据... 详细信息

液滴冲击现象中流动与质热交换过程一直是学术界研究热点,对冲击过程中特殊现象与作用机理的深入探索有助于提高相关工业应用水平,例如喷雾冷却、农业灌溉、冶金冶炼、航天航空和电子设备等,也可为此类工业技术发展提供重要的理论依据。相比于单液滴,多液滴冲击更靠近实际工业过程,液滴之间、液滴与液膜之间的复杂相互作用已开始引起学者关注。本论文采用三维数值模拟方法,对多液滴冲击薄液膜过程中的流动与传热问题进行系统、深入研究。首先,针对绝热条件下不同空间排布多液滴冲击薄液膜过程进行了研究,包括同步冲击、连续冲击和异步冲击。建立了三维计算模型,采用水平集-流体体积法捕捉两相自由界面,以动量源项的形式添加了符合高斯分布的随机扰动模型。通过与实验结果比较,验证了界面捕捉方法与扰动模型的可靠性。对多液滴同步冲击薄液膜时中间薄膜射流生成与破碎机理进行了解释,讨论了不同参数对中间薄膜射流高度的作用。多液滴连续冲击过程中,根据运动间断理论对二次冠状水花未发生飞溅现象进行了解释,观察到了一次冠状水花与二次冠状水花相接触后出现的小气泡夹带现象。定量分析了不同参数对一次冠状水花尺寸的影响。多液滴异步冲击薄液膜的研究中,发现液滴与射流相接触后出现较大尺寸的气泡夹带现象,着重分析了薄膜射流的破碎机理。其次,针对多液滴冲击过程中单相传热问题进行了研究,发现冲击区域内局部单相传热系数明显高于未受扰动区域,说明液滴冲击使对流传热增强。冠状水花底部与中间薄膜射流底部在液滴冲击过程中会出现传热盲区。通过分析多液滴连续冲击过程中截面温度分布,揭示了残余液膜内流场与温度场耦合效应对对流传热的增强作用。分别讨论了两种冲击方式条件下,热流密度、液滴间距、韦伯数对局部传热系数与壁温的影响。最后,针对多液滴冲击过程中两相传热问题进行了研究,在饱和温度下液膜底部布置核化气泡,揭示了气泡在同步冲击过程中的一系列运动与变形现象。结果表明,蒸汽气泡的分布方式对冲击过程界面演变与传热系数的分布影响较小,但对气泡附近三相接触区传热系数峰值影响较大。发现减小接触角有助于蒸汽气泡快速脱离加热表面,从而提高相变对流传热强度。探讨了液滴间距对于连续冲击过程中局部传热量的影响,并总结出局部传热量变化的相关规律。

关键词：液滴冲击多液滴流动特性传热

多液滴模型在榆林气田南区井筒积液预判中的应用

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多液滴模型在榆林气田南区井筒积液预判中的应用

第十四届宁夏青年科学家论坛石化专题论坛

作者：刘小江折文旭夏玉琴姜伟光夏星周维锁李勃阳中国石油长庆油田分公司第二采气厂中国石油长庆油田长北作业分公司

随着榆林气田南区开发过程进行,储层压力降低、气井携液能力下降,井筒积液对气田开发效果的影响日益凸显。针对部分气井液气比逐渐升高而引起的井筒流动规律复杂、井筒积液预判准确率不高的问题,通过0LGA软件进行数值模拟,修正临界流量... 详细信息

随着榆林气田南区开发过程进行,储层压力降低、气井携液能力下降,井筒积液对气田开发效果的影响日益凸显。针对部分气井液气比逐渐升高而引起的井筒流动规律复杂、井筒积液预判准确率不高的问题,通过0LGA软件进行数值模拟,修正临界流量计算方法,量化液气比对井筒积液规律的影响。研究数据表明:(1)随着气田开发进行,部分气井有液气比逐渐增大的趋势;液气比高于一定临界值对临界携液流量存在影响;(2)当液气比大于临界值,气井临界携液流量随着液气比增加成对数关系增长;(3)利用考虑液气比影响的临界携液流量计算方法,对气井进行积液情况判识准确率达到75%左右,相比Tumer模型、修正李闽模型,准确率提高13%,为气井管理提供一定参考。

关键词：井筒积液临界携液流量多液滴液气比榆林气田

来源： cnki会议评论

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气井多液滴携液理论模型研究

河南科技 2013年第5X期32卷 15-17页

作者：郭江波许云凤陕西省天然气股份有限公司陕西西安710016 陕西省液化天然气投资发展有限公司陕西西安710065

气井在开发过程中都会产出地层水或凝析液等液体,气井中的液体如果不能及时排出,就会聚积在井底,造成气井减产甚至停产。本文在分析单一液滴的Turner模型和改进的李闽模型的基础上,建立了新型气井携液模型。首次提出了井筒中多液滴气体... 详细信息

气井在开发过程中都会产出地层水或凝析液等液体,气井中的液体如果不能及时排出,就会聚积在井底,造成气井减产甚至停产。本文在分析单一液滴的Turner模型和改进的李闽模型的基础上,建立了新型气井携液模型。首次提出了井筒中多液滴气体携液临界流速模型,并发展了碰撞理论,对多液滴与管壁碰撞、液滴间碰撞、液滴破碎等进行了理论分析。本文建立的气井气体多液滴携液模型,开阔了气井携液理论,将对气田的开发带来深远的影响。

关键词：气井多液滴碰撞临界流速

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液滴撞击微波纹管的动力学行为和传热特性

液滴撞击微波纹管的动力学行为和传热特性

作者：潘荣志重庆大学

学位级别：硕士

液滴撞击现象在自然界和日常生活中十分普遍,在工业应用中也十分常见,例如海水淡化、喷雾冷却、喷墨打印、电线防除冰等,对于液滴撞击现象和机理的研究有助于推动与液滴撞击相关的技术发展,为工业应用提供理论指导。另外,相比于液滴撞... 详细信息

液滴撞击现象在自然界和日常生活中十分普遍,在工业应用中也十分常见,例如海水淡化、喷雾冷却、喷墨打印、电线防除冰等,对于液滴撞击现象和机理的研究有助于推动与液滴撞击相关的技术发展,为工业应用提供理论指导。另外,相比于液滴撞击平壁面,在工业实际中更多的是液滴撞击管状或者柱形粗糙壁面,对于液滴撞击此类壁面现象机理的理解仍存在不足,因此液滴撞击粗糙或特定结构表面的研究还有待进一步探索。本文采用VOF方法对单液滴和多液滴同时撞击微波纹管的动力学行为和传热特性进行数值模拟研究。首先,建立单液滴和多液滴撞击的三维物理和数学模型,并将本文模型与相关单液滴和多液滴撞击实验进行定性和定量的分析比较,验证了模型的可靠性。然后分析了撞击速度、壁面润湿性、波纹半径、无量纲水平间距对液滴撞击过程中流动和换热的影响,并和单液滴和多液滴同时撞击光滑圆管以及微波纹平壁的动力学行为和传热特性进行比较。结果表明,微波纹管表面波纹的周向阻碍和轴向引导作用以及各向异性圆管表面导致微波纹管和光滑圆管表面形成截然不同的液膜形貌。单液滴撞击时,在稳定阶段光滑圆管上的液膜接触面积约是微波纹管上的1.84倍。微波纹管液膜平均温度要高于光滑圆管液膜平均温度,壁面热流是光滑圆管表面初期较大,后来小于微波纹管表面壁面热流。在初始阶段,单液滴撞击时,微波纹管表面上的对流传热系数大约是光滑圆管上的对流传热系数的5倍以上,这是液膜接触面积、壁面热流和液膜平均温度综合作用的结果。随着撞击速度的增大,单液滴撞击微波纹管表面的轴向、周向最大铺展长度以及液膜接触面积都随之变大,且撞击速度、波纹半径的增加会使微波纹管和光滑圆管的壁面热流增大,但是对对流传热系数的影响较小。多液滴撞击时,微波纹管表面中间上升薄膜高度开始时较大,后来小于光滑圆管表面中间上升薄膜高度,光滑圆管表面上的无量纲液膜接触面积约为微波纹管表面的4倍。多液滴撞击时,微波纹管和光滑圆管的液膜平均温度和壁面热流变化趋势与单液滴撞击时较为类似。在初始阶段时,多液滴撞击微波纹管表面上的对流传热系数大约是光滑圆管上的对流传热系数的4倍。当无量纲水平间距增大时,液固界面面积增大,三相接触线长度增加,亲水性微波纹管和光滑圆管表面的无量纲液膜接触面积、壁面热流和液膜平均温度均增加,但对流传热系数几乎不变。当壁面为亲水性时,单液滴和多液滴撞击微波纹管和光滑圆管的动力学行为比较相似;当壁面为疏水性时,结构(粗糙或光滑表面)对单液滴撞击微波纹管和光滑圆管形貌变化的影响减小,但是对于多液滴撞击,会导致微波纹管表面的液膜难以聚集,造成与光滑圆管表面更大的形貌差异。此外,对单液滴和多液滴撞击,壁面疏水性的增加会减小微波纹管表面和光滑圆管表面之间的无量纲液膜接触面积和壁面热流之间的差异。由于管壁面的各向异性和平壁面各向同性的差异,单液滴和多液滴撞击微波纹管和微波纹平壁面热动力学行为存在着一定的差异,重力对于液滴撞击微波纹管的影响比液滴撞击微波纹平壁的影响大。由于微波纹结构的周向阻碍和轴向引导作用,单液滴和多液滴撞击微波纹管和微波纹平壁的热动力学行为具有相似性。和单液滴撞击微波纹管和微波纹平壁面相比,多液滴撞击时液滴之间的耦合作用削弱了多液滴撞击微波纹管相对于多液滴撞击微波纹平壁的强化传热能力。

关键词：液滴碰撞微波纹管 VOF 多液滴各向异性

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非均匀温度场中液滴热毛细迁移研究

非均匀温度场中液滴热毛细迁移研究

第八届全国流体力学学术会议

作者：张朔婷胡良段俐康琦中国科学院力学研究所国家微重力实验室

通过密度匹配的方法地面模拟微重力环境,以硅油和去离子水与无水乙醇混合液分别作为实验系统的连续相母液介质和液滴相介质,研究了非均匀温度场中较大尺寸液滴的热毛细迁移行为。用数字全息干涉仪测量液滴迁移实验过程的温度场。在单液... 详细信息

通过密度匹配的方法地面模拟微重力环境,以硅油和去离子水与无水乙醇混合液分别作为实验系统的连续相母液介质和液滴相介质,研究了非均匀温度场中较大尺寸液滴的热毛细迁移行为。用数字全息干涉仪测量液滴迁移实验过程的温度场。在单液滴的实验中,得到液滴迁移的尾迹图像,以及单液滴对周围温度场的扰动与液滴半径的关系。对于双液滴迁移的测量结果表明,双滴的排列方式,半径大小对周围温度场的扰动不同,从而影响双液滴的迁移。液滴所引起的温度场的扰动在其他液滴迁移过程中起重要作用。

关键词：多液滴温度梯度热毛细迁移液滴相互作用数字全息干涉

来源： cnki会议评论

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数字微流控芯片在线测试方法研究

数字微流控芯片在线测试方法研究

作者：于鸿杰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

数字微流控芯片凭借其灵活性高,使用方式简单等特点,逐渐成为微流控技术的一个重要平台,在生物、化学和医学领域展现出良好的应用前景。但是由于制造工艺复杂,芯片在生产及使用环节中都面临较大的故障风险,极大地限制了数字微流控芯片... 详细信息

数字微流控芯片凭借其灵活性高,使用方式简单等特点,逐渐成为微流控技术的一个重要平台,在生物、化学和医学领域展现出良好的应用前景。但是由于制造工艺复杂,芯片在生产及使用环节中都面临较大的故障风险,极大地限制了数字微流控芯片的进一步应用。为保障芯片的可靠性,必须对芯片进行充分的测试,而在线测试又是芯片测试环节中的重要一环,因此本文重点对数字微流控芯片的在线测试方法进行研究。在线测试通过驱动测试液滴,令其沿着一定的测试路径对故障位置进行检测,测试与芯片上的生化分析实验同步进行。因此,在线测试方法研究的关键是对液滴测试路径的合理规划。为了对芯片进行有效的在线测试,测试路径首先要保证对故障的覆盖率;其次,测试液滴的移动不能干扰实验液滴的移动。所以说,在线测试路径规划是在一定约束条件下的路径规划问题。在充分考虑故障覆盖率和约束条件的基础上,本文首先建立了在线测试模型。针对该模型直接求解困难的情况,提出了一种基于改进A*算法的单液滴在线测试路径规划方案,实现了对在线测试方法进行优化的目标。该方案将在线测试路径规划问题归结为图论中的中国邮递员问题,利用A*算法实时启发式搜索的特点使测试路径满足流体约束条件,通过改进A*算法的估值函数实现了满足在线测试要求的路径构建规则。为了进一步缩短在线测试时间,本文继续研究了多液滴并行在线测试方法,在改进A*算法的基础上设计了多液滴在线测试策略,在保证故障覆盖率的前提下缩短在线测试时间。针对芯片上某些位置占用时间过长的问题,通过添加引导令测试液滴优先检测这些位置,对在线测试时间进行进一步的优化。仿真实验表明,改进A*算法能够有效缩短单液滴在线测试时间,提高测试效率。采用多测试液滴对芯片进行分区域并行在线测试时,在线测试时间进一步缩短。同时,芯片划分的各个区域被实验液滴占用的时间越相近,在线测试时间缩短效果越显著。在此基础上,采用对测试路径添加引导的策略,在线测试时间还可以进一步优化。但是,利用多个测试液滴会占用更多的系统资源,测试时间与资源的平衡应视实际的需求而定。

关键词：数字微流控芯片在线测试 A*算法多液滴