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非平整基底上液膜表面波的生成演化特性研究

非平整基底上液膜表面波的生成演化特性研究

作者：陈琪华北电力大学

学位级别：硕士

液体流动中非线性表面波的研究因其在化学、能源、石油化工等领域有着广泛的应用,因而,有着重要的理论意义和使用价值,当前有很多学者分别从实验研究、数值计算等方面进行了多方面的研究和工作。同时,流体在非平整基底固体表面上的流动... 详细信息

液体流动中非线性表面波的研究因其在化学、能源、石油化工等领域有着广泛的应用,因而,有着重要的理论意义和使用价值,当前有很多学者分别从实验研究、数值计算等方面进行了多方面的研究和工作。同时,流体在非平整基底固体表面上的流动产生的波动现象也是一项重要的强化传热传质技术,因而也在诸多的工业领域中广泛应用。本文通过对具有表面张力、不可压缩的粘性流体通过非平整基底时的流动进行研究,根据流体的液膜参数α1和基底参数α2的不同大小关系,分两种情况进行不同的无量纲化,采用势流理论和摄动法,推导了非线性的表面波的零阶、一阶和二阶方程,并由此得到了在考虑流体的粘性和表面张力下的非定常运动方程。同时通过坐标变换等方法,将非定常的微分方程转化为定常的微分方程,进而求得该方程的近似解析解及流函数。根据拟谱法的基本原理,采用Matlab数值软件,对某一非线性的孤波方程进行了数值模拟,并绘制瀑布图,得到了流体在不同流动状态(超临界状态和亚临界状态)、非平整基底下的非线性表面波的生成及演化的影响规律。并由此验证了在该非平基底下的非线性波具有叠加性,以及非线性的表面波演化发展规律。

关键词：非平整基底非线性表面波摄动法数值模拟

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非平整基底上受热波状液膜流动特性研究

非平整基底上受热波状液膜流动特性研究

作者：刘玉梅华北电力大学

学位级别：硕士

在实际工程中，液膜流动的外部影响因素复杂多变，流经基底有平整与不平整、固定与运动、无热流与有热流等等之分，加之外部重力、切应力等因素的作用，其动力学行为极其丰富。因而研究非平整加热基底上液膜的流动特性对丰富和发展工程... 详细信息

在实际工程中，液膜流动的外部影响因素复杂多变，流经基底有平整与不平整、固定与运动、无热流与有热流等等之分，加之外部重力、切应力等因素的作用，其动力学行为极其丰富。因而研究非平整加热基底上液膜的流动特性对丰富和发展工程实际和高新技术领域中传热、传质理论，拓展液膜动力学内容以及指导液膜实际应用具有重要意义。本文针对二维粘性流体，对非平整不均匀加热基底上流动液膜的线性稳定性及表面波的演化特性进行了研究，主要研究内容如下：(1)气液界面绝热条件下，非平整不均匀加热斜面上液膜流动特性的理论研究。针对二维粘性流体薄膜流，考虑基底的加热和非平整性，根据连续性方程、N-S方程以及能量方程，建立非平整不均匀加热斜面上液膜流动的控制方程及边界条件，利用长波摄动法求解控制方程，求得非线性表面波演化方程。基于所得演化方程，研究正弦波纹基底上的液膜流动稳定性特征，并分析雷诺数、普朗特数、马兰哥尼数、倾角等无量纲参数对液膜表面波演化及流动线性稳定性的影响。(2)气液界面存在对流换热时，水平非平整基底上受热液膜表面波演化特性的理论研究。采用长波摄动法推导水平非平整基底上受热液膜表面波的演化方程，并利用PDECOL程序数值求解所得演化方程。根据求得的数值解绘制正弦波纹基底上液膜表面波形的演化过程图，并分析流体受热程度、导热性能、对流传热强度和重力、基底结构等因素对液膜表面波演化的影响，同时简要分析正弦波纹基底上液膜表面及液膜内部的温度分布状况。

关键词：非平整基底受热液膜长波摄动法线性稳定性表面波演化

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非平整基底上含不溶性活性剂溶液的流动特性

非平整基底上含不溶性活性剂溶液的流动特性

作者：裴建军华北电力大学

学位级别：硕士

随MEMS技术的发展，非平整基底上微纳尺度的液膜流动在流体机械领域引起了广泛的关注。由于研究尺度微小，表面张力、液体黏性、基底表面性质以及表面活性剂将对液体流动产生重要的影响，进而在很大程度上决定了产品质量及其应用效能。... 详细信息

随MEMS技术的发展，非平整基底上微纳尺度的液膜流动在流体机械领域引起了广泛的关注。由于研究尺度微小，表面张力、液体黏性、基底表面性质以及表面活性剂将对液体流动产生重要的影响，进而在很大程度上决定了产品质量及其应用效能。因此，本文针对非平整基底上有、无活性剂液膜/液滴的流动过程，建立了理论模型，并利用润滑理论、非模态稳定性理论和数值模拟分析了液膜/液滴的动力学特性和稳定性，以及重力、活性剂浓度和基底结构参数等的影响规律。主要内容如下：(1)对波纹基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程，推导出其液膜厚度和活性剂浓度的演化方程组，通过PDECOL程序数值求解了演化方程组，研究了波纹基底和活性剂浓度共同作用对液滴铺展的独特影响，并且基于非模态稳定性理论分析了液滴铺展的稳定性及各参数对稳定性的影响。(2)对非平整基底表面上的超薄液膜流动过程，推导出其稳态下的液膜厚度方程，利用PDECOL程序数值分析了不同基底表面上液膜轮廓的变化特征，以及基底结构参数和重力共同作用对液膜流动的影响。(3)对倾斜随机粗糙壁面上含不溶性活性剂液膜/液滴的流动过程，推导出其液膜厚度和活性剂浓度的演化方程组，通过PDECOL程序数值研究了重力、基底表面特征和活性剂浓度三者共同作用对液膜/液滴动力学特性的影响，以及最大液膜厚度和活性剂浓度的变化规律。

关键词：非平整基底液膜流动润滑理论非模态理论动力学特性

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不溶性活性剂液膜在非平整基底上的流动特征

不溶性活性剂液膜在非平整基底上的流动特征

作者：陈朋强华北电力大学

学位级别：硕士

近年来MEMS等技术的发展使得微米尺度甚至纳米尺度的超薄液膜流动在流体力学领域备受关注。随研究尺度减小,基底结构和表面活性剂引起的液膜表面张力变化,必将对液膜流动产生重要影响,进而在一定程度上决定了产品质量及功能。因此,本文... 详细信息

近年来MEMS等技术的发展使得微米尺度甚至纳米尺度的超薄液膜流动在流体力学领域备受关注。随研究尺度减小,基底结构和表面活性剂引起的液膜表面张力变化,必将对液膜流动产生重要影响,进而在一定程度上决定了产品质量及功能。因此,本文针对非平整基底上含不溶性活性剂液膜/液滴的流动过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度演化模型,通过数值模拟得到了液膜/液滴的流动特性及相关参数的影响规律,并利用非模态稳定性理论分析了稳定性特征。主要内容如下:(1)针对倾斜凹槽基底上薄液膜的流动过程,通过PDECOL程序求解表面活性剂作用下的数值问题,研究了稳态下液膜的流动特征,并分析了各参数及作用力对表面波形的影响。(2)针对连续凹槽基底上含不溶性活性剂液膜的流动过程,借助数值模拟分析了液膜的铺展速度及隆起现象,并讨论了爬坡/下坡两种情形下的不同流动特征,以及分离压和结合压在活性剂液膜铺展过程中的影响。(3)建立二维微柱阵列壁面上含不溶性活性剂液滴铺展的理论模型,利用PDECOL程序模拟分析了微柱阵列壁面对活性剂液滴铺展过程的影响,并讨论了预置液膜厚度、初始活性剂浓度及基底结构尺度对液滴铺展速度和液膜表面形状的影响。(4)建立倾斜粗糙壁面上含不溶性活性剂液滴的铺展模型,采用瞬态增长法,针对重力、Marangoni力和与壁面性质相关的毛细力共同作用下液滴铺展过程,进一步探究了其稳定性特征及不同因素影响的内在机理。

关键词：润滑理论非平整基底液膜流动非模态理论

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电场对非平整基底上液滴铺展特性的影响

电力科学与工程 2016年第8期32卷 43-49页

作者：赵盼盼戴宇晴叶学民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

基于润滑理论和漏介电质模型,通过建立电场作用下非平整基底上液滴铺展的演化模型,利用PEDCOL程序模拟了导电液滴在非平整基底上的铺展特征。结果表明:非平整基底有助于加快液滴的铺展速度,其中,锯齿状基底下液滴的铺展速率最大;底部电... 详细信息

基于润滑理论和漏介电质模型,通过建立电场作用下非平整基底上液滴铺展的演化模型,利用PEDCOL程序模拟了导电液滴在非平整基底上的铺展特征。结果表明:非平整基底有助于加快液滴的铺展速度,其中,锯齿状基底下液滴的铺展速率最大;底部电势为恒定值时,电场对液滴铺展起抑制作用;线性底部电势将诱导液滴中心出现偏移现象,且液膜轮廓呈现与基底外形相似的特征;增加基底波数或高度,均有利于液滴铺展,但其影响总体较小。

关键词：电场液滴铺展非平整基底

连续凹槽基底对含非溶性活性剂薄液膜流动特性的影响

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物理学报 2014年第22期63卷 248-257页

作者：李春曦陈朋强叶学民华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室保定071003

针对连续凹槽基底上含非溶性活性剂液膜的流动过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和活性剂浓度演化模型,利用PDECOL程序数值模拟得到了液膜流动的动力学特征及基底结构参数的影响.研究表明:活性剂液膜流经连续凹槽时,负向台阶处形成凹陷,... 详细信息

针对连续凹槽基底上含非溶性活性剂液膜的流动过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和活性剂浓度演化模型,利用PDECOL程序数值模拟得到了液膜流动的动力学特征及基底结构参数的影响.研究表明:活性剂液膜流经连续凹槽时,负向台阶处形成凹陷,正向台阶处形成隆起,且随时间逐渐增大;与平整基底相比,连续凹槽下的活性剂液膜铺展速度加快;基底凹槽的高度增加或斜度减小可加速液膜破断的可能性;增大凹槽宽度可促进液膜流动;减小斜度会使液膜进入第一凹槽前形成隆起特征;重力在液膜的爬坡和下坡过程中具有相反的作用,但均使得流动稳定性变差;分子间作用力形成的结合压可加速液膜流动,进而引发去湿润现象,分离压则与之相反.

关键词：活性剂液膜非平整基底铺展分子间作用力

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波纹基底上含不溶性活性剂液滴的铺展稳定性

物理学报 2013年第17期62卷 296-304页

作者：李春曦裴建军叶学民华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室保定071003

针对波纹基底上含不溶性活性剂液滴的铺展历程,采用润滑理论建立了液滴铺展数理模型,推导出基态和扰动态下液膜厚度和活性剂浓度的演化方程组,基于非模态稳定性理论分析了液滴铺展的稳定性及参数的影响规律.研究表明:扰动量在液滴中心... 详细信息

针对波纹基底上含不溶性活性剂液滴的铺展历程,采用润滑理论建立了液滴铺展数理模型,推导出基态和扰动态下液膜厚度和活性剂浓度的演化方程组,基于非模态稳定性理论分析了液滴铺展的稳定性及参数的影响规律.研究表明:扰动量在液滴中心及铺展前沿处很小,在液膜最薄处达到最大值且活性剂浓度的负扰动现象比较明显;扰动波数可增强液滴铺展稳定性,但随扰动波数增加,该稳定性逐渐下降甚至转变为不稳定.增加Marangoni数将导致液滴铺展不稳定性加剧;增大基底高度具有增强液滴铺展稳定的作用,Peclet数和基底波数取适中值时有利于液滴铺展的稳定性.

关键词：活性剂液滴非平整基底铺展非模态稳定性

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波纹状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程

化工学报 2013年第9期64卷 3308-3316页

作者：李春曦裴建军叶学民华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室河北保定071003

针对波纹状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度演化模型,通过PDECOL程序数值求解了演化方程组,得到了液滴的铺展特性及基底结构参数的影响规律。研究表明:当液滴铺展进入中后期,Marangoni效应减弱,... 详细信息

针对波纹状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度演化模型,通过PDECOL程序数值求解了演化方程组,得到了液滴的铺展特性及基底结构参数的影响规律。研究表明:当液滴铺展进入中后期,Marangoni效应减弱,此时基底的作用范围相应增大,基底对液滴铺展过程的影响逐渐显著。与平整基底相比,波纹状基底上的最小液膜厚度明显降低,而铺展前沿处的子波数显著增多,子波波峰高度呈单驼峰形的模态变化;而且,增加波纹状基底的高度或减小波数具有加剧液滴铺展不稳定性的作用。

关键词：铺展活性剂液滴非平整基底 Marangoni效应

分离压作用下波纹状基底上含活性剂液滴铺展稳定性

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计算物理 2015年第4期32卷 437-448页

作者：李春曦杨保才叶学民华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室保定071003

针对波纹状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,引入受活性剂浓度影响的分离压模型,应用非模态稳定性理论分析液滴铺展稳定性.研究表明:与不计及分离压情形相比,分离压作用下的液滴铺展前沿高度明显下降,液滴铺展速率加快;长波扰动有... 详细信息

针对波纹状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,引入受活性剂浓度影响的分离压模型,应用非模态稳定性理论分析液滴铺展稳定性.研究表明:与不计及分离压情形相比,分离压作用下的液滴铺展前沿高度明显下降,液滴铺展速率加快;长波扰动有利于增强液滴的演化稳定性,且随扰动波数增大稳定性增强;然而随短波波数增加,液滴演化稳定性逐渐减弱甚至转变为不稳定;较小波数下(k=3)减小引力强度系数α1和提高斥力强度系数α2液滴铺展稳定性增强;而较大波数下(k=30)增大α1和减小α2有利于液滴铺展稳定性.

关键词：活性剂液滴非平整基底分离压非模态稳定性