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液滴撞击不同润湿性球面动态特性的研究

张春月  
【摘要】:液滴撞击过程广泛存在于自然界、工业设备和农业生产中,如海水淡化装置中喷淋液滴与水平管壁的碰撞、自然界中雨滴对地面和机翼的冲击、农药喷洒装置喷射出的药剂与农作物的碰撞过程等。液滴与壁面碰撞后的运动形态影响壁面与液滴间的质热交换,有十分重要的理论及工程实际意义。本文通过化学位错刻蚀和表面活性材料修饰的方法制备了接触角分别为70°、106°和133°的三种不同润湿性球面,利用高速摄像仪记录了液滴以不同的速度撞击到不同润湿性和曲率比球面上的动态特性,实验数据分析处理后发现当液滴的撞击速度和壁面曲率比相同时,随着壁面接触角的增加,液滴最大铺展系数减小,达到最大铺展所需的无量纲时间也相应的减小,液膜稳定时的铺展系数减小,达到稳定液膜铺展系数所需的无量纲时间变大,最大无量纲中心液膜高度变大。当壁面曲率比和润湿性一定时,随着撞击速度的增加,液滴最大铺展系数和达到最大铺展所需的无量纲时间均增加,达到稳定铺展系数所需的无量纲时间也增加,无量纲中心液膜高度震荡的频率减慢,第一次所达到的最大无量纲中心液膜高度减小。当壁面润湿性和撞击速度一定时,随着壁面曲率比的增加,液滴最大铺展系数增加,第一次所达到的最大无量纲中心液膜高度减小。本文采用CLSVOF方法,数值模拟了液滴斜向撞击不同润湿性球面的动态特性,并对空气卷吸现象以及液滴撞击超疏水性球面时的破碎现象进行了一定研究,结果表明在不同润湿性球面上(30°、70°、106°、133°和160°),随着壁面接触角的增加,液滴铺展速率和最大铺展系数均减小,达到最大铺展所需的无量纲时间也相应的减小,液膜的回缩程度增加,最大无量纲中心液膜高度越大,波动幅度也越大;在不同撞击角度下(0°、15°、30°、45°和60°),液滴均发生了铺展、回缩和反弹。随着撞击角度的增加,液滴最大铺展系数减小,达到最大铺展所需的无量纲时间基本相同。随着壁面接触角的增加,最大气膜高度减小,达到最大气膜所需的时间增加,而液膜断裂前卷吸最大气泡直径和高度随着壁面接触角的变化波动较小,断裂后卷吸最大气泡的直径和高度波动较大;随着撞击角度的增加,最大气膜直径和高度均减小,达到最大气膜所需的时间增加,当撞击角为30~60°时,随着撞击角度的增加,液膜断裂前卷吸的最大气泡直径减少,高度呈现先增加后减小的趋势。液滴撞击到接触角为160°的超疏水性球面时,随着We的增加,液滴破碎数目增加,随着撞击角度的增加,液滴破碎数目减小,并给出了液滴以不同的撞击角度(0~45°)碰撞到超疏水性球面时运动状态发生转变的临界条件。


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