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《上海大学》 2011年
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沿波纹壁面下落薄膜流动的动力学特性研究

朴明日  
【摘要】:本文以薄膜沿平坦和波纹壁面下落的流动为研究对象,采用直接数值方法和理论方法,对表面波之间的相互作用现象、壁面结构对薄膜定常和非定常流动特性的影响以及三维薄膜流动的时空演化特性进行了深入研究,并对有电场作用的沿波纹壁面下落薄膜的线性稳定性等进行了理论分析。相关研究结果对深刻认识下落薄膜流动特征具有重要的参考价值,为工程应用提供理论依据。 对于平坦壁面上的薄膜流动,本文采用直接数值计算方法得到了在随机扰动的情况下,不同的Re数和壁面倾斜角所对应的薄膜时空演化过程。数值结果发现在孤立波和谐波或孤立波之间合并过程中,相对大的孤立波合并前后经历了衰减阶段,同时两个表面波的高度变化趋势是相反的。在孤立波合并期间,它的高度和相速度之间存在线性关系。对于大小相同的两个孤立波,由于它们之间存在相互作用,前面的小孤立波分裂为两个近谐波,并发展为相对大的孤立波状态。由于横向不稳定,在孤立波合并过程中出现孤立波破裂的现象,使得二维流动发展为三维状态,形成三维孤立波。 本文采用直接数值计算方法,研究了薄膜沿倾斜矩形波纹壁面下落的定常流动特性。数值结果显示壁面结构和自由表面波之间的相位差随着雷诺数的增大而增加。通过分析研究表面波振幅随雷诺数变化曲线,发现更深的褶皱或者更小的倾角有助于提高共振雷诺数。在不同的雷诺数范围内,存在毛细-惯性相互作用和惯性主导两种状态,且分别对应两种不同性质的旋涡。我们发现这两种类型的涡旋是导致波幅急剧增长和自由面产生较大变形,引起了共振曲线上出现峰值的原因。流动趋向定常状态的演变过程的数值结果同样支持了涡结构是造成表面波扭曲和共振原因的这一观点。 本文采用施加周期和随机扰动的方法,对薄膜沿倾斜矩形波纹壁面下落的非定常流动特性进行了直接数值研究。 对于周期扰动情况,数值结果表明表面波是由扰动频率引起的行波(traveling wave)和由壁面结构引起的静态波(static deformed wave)组成。本文发现了流场表现为两个频率(强迫周期扰动和由壁面结构的空间扰动)之间的相互竞争,非线性效应导致谐波分量的产生。若这两者波长相近,非线性效果有利于促进临近的行波之间的合并,流场中只有一个主导频率,行波振幅出现极大值,即出现频率共振现象。本文还探讨了壁面结构对液膜流动结构的影响。 在随机扰动情况时,数值结果表明由于壁面效果使得非线性效应加强,进而促进表面波之间的合并作用,使得后孤立波能吸收相对大的前孤立波。本文采用HHT分析方法,得到了薄膜空间演化的不同尺度的模态,并揭示了波数和能量的空间分布规律。相对大尺度的模态反映出孤立波的空间演化状态;相对小尺度的模态反映出由壁面结构形成的静态波,它对流动起非线性作用。若壁面深度增加,静态波吸收到更多的液膜内部能量,因此孤立波的运动能量减少而导致相速度的减小。在非定常流动中骑行在表面行波上的静态波起到共振特性,使得主导波的振幅变化也表现为共振特性。数值结果还发现在三维流动状态时横向起伏的振幅从孤立波的尾部到顶部逐渐增加,其最大值可以达到平均薄膜厚度。本文还研究了三维表面波的结构和其时间演化的详细过程。 最后,本文基于加权残数积分边界层(WRIBL,Weighted-residual Integral Boundary-layer)模型,推导出描述电场作用下的沿波纹壁面下落的二维液膜流动的演化方程,分析电场和壁面结构对稳定性的影响,以及定常流动的特性。在壁面振幅较小的情况下,毛细作用促使薄膜更稳定,而电场则使其流动失稳,本文提出了这两种作用的平衡条件,并说明壁面结构的引入可以加剧这两方面的效应。对定常流动的分析说明表面波相对振幅和与壁面的相位差随物理参数的变化趋势,并表明电场对流场共振现象有抑制作用。
【学位授予单位】:上海大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O484.2

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 胡军,胡国辉,孙德军,尹协远;薄膜沿均匀加热平板下落的直接数值模拟[J];计算物理;2004年05期
2 胡国辉;胡军;尹协远;;振动斜板上下落液体薄膜的数值模拟[J];计算物理;2006年01期
3 胡军,胡国辉,孙德军,尹协远;沿平板下落薄膜流动的研究综述[J];力学进展;2005年02期
4 卢川;段日强;姜胜耀;;下降液膜流动不稳定性实验研究[J];清华大学学报(自然科学版);2008年09期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 Hamid Ait Abderahmane;Georgios H.Vatistas;;An accurate model for the thin film flow[J];Acta Mechanica Sinica;2008年04期
2 刘赵淼;刘鑫;王国斌;;影响板间蠕变拖曳流中涡流作用的因素[J];北京工业大学学报;2011年08期
3 鹿燕;王敏;;模板法合成纳米通道在微流控系统中的应用[J];分析化学;2009年06期
4 薄守石;马学虎;兰忠;陈宏霞;白涛;赵研;;降液膜流动孤波中的涡流影响因素分析[J];工程热物理学报;2011年10期
5 肖宝平;孙艳;吴昌聚;金仲和;;纳米沟道中离子扩散系数[J];功能材料与器件学报;2008年02期
6 马学虎;薄守石;兰忠;陈嘉宾;陈宏霞;白涛;;降液膜波动的影响因素分析[J];高校化学工程学报;2010年01期
7 饶欢;杨文泓;王思邈;孔滨;刘文志;李晓霞;杨小震;;水在纳米管道中流动行为的分子动力学模拟[J];高等学校化学学报;2012年12期
8 ;The FENE Dumbbell Model near Equilibrium[J];Acta Mathematica Sinica(English Series);2008年04期
9 李春曦;王松岭;叶学民;闫俊刚;;二维剪切液膜流表面波的线性稳定性特征[J];华北电力大学学报(自然科学版);2009年05期
10 李春曦;叶学民;崔馨;王松岭;;活性剂溶液铺展过程和动力学特性的研究进展[J];华北电力大学学报(自然科学版);2010年04期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李春曦;含活性剂液滴的铺展过程研究[D];华北电力大学;2011年
2 薄守石;溴化锂溶液降膜流动及传热传质的数值研究[D];大连理工大学;2011年
3 吴昌聚;微/纳结构牺牲层腐蚀及其模型研究[D];浙江大学;2006年
4 胡阳旭;纳微尺度下传递现象的计算机模拟研究[D];北京化工大学;2012年
5 尹涌澜;沉降膜换热器基础研究及其复合源热泵系统应用分析[D];吉林大学;2012年
6 李小军;SU-8微纳米流体通道制作方法研究[D];中国科学技术大学;2012年
7 庞海;热核方法在量子场论和统计物理中的应用[D];天津大学;2012年
8 叶宏飞;水在碳基纳米尺度通道内的粘性、扩散和剪切流动行为的模拟研究[D];大连理工大学;2012年
9 郝兆龙;高温吸收式热变换器热力学和传递性能研究[D];大连理工大学;2013年
10 左广超;纳米受限环境中水分子输运的物理力学研究[D];南京航空航天大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 孙虹宇;纳米尺度低速流动的速度计算新方法[D];燕山大学;2010年
2 郭风晨;纳米尺度双金属轧制的分子动力学模拟[D];燕山大学;2011年
3 蒋茂灿;增膜型水膜蒸发式空冷器单管单板初步实验研究[D];华中科技大学;2011年
4 肖玉;基于双电层理论的纳流控通道内离子运输特性的研究[D];东北大学;2009年
5 李涛;非平衡态下纳流控通道中离子输运的研究[D];东北大学;2009年
6 廖洪;波形板上薄膜流动的动力学分析[D];北京工业大学;2006年
7 田英;分层液膜流动传热特性及影响因素分析[D];华北电力大学(河北);2008年
8 金艳梅;薄膜沉积扩散形成的数值研究[D];北京工业大学;2008年
9 鹿燕;纳米修饰PDMS在微流控分析中的应用[D];浙江大学;2010年
10 刘鑫;非平整基底面上薄膜涂覆流体运动的数值模拟研究[D];北京工业大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 胡军,胡国辉,孙德军,尹协远;薄膜沿加热平板下落的稳定性分布[J];力学季刊;2003年01期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前7条
1 O·D·玛金德;黄锋;;具有绝热自由表面的三阶流体在重力作用下沿斜面薄膜流动时的热临界[J];应用数学和力学;2009年03期
2 王振东,谭绍勐;关于液体簿膜流动的实验研究[J];河北大学学报(自然科学版);1981年01期
3 胡军,胡国辉,孙德军,尹协远;沿平板下落薄膜流动的研究综述[J];力学进展;2005年02期
4 黄小龙;胡国辉;;低雷诺数下沿正弦壁面下落液体薄膜的频谱特性[J];上海大学学报(自然科学版);2014年02期
5 朴明日;胡国辉;;均匀电场对沿波纹壁面下落液体薄膜流动稳定性的影响[J];水动力学研究与进展A辑;2011年03期
6 朴明日;胡国辉;;壁面结构对非定常薄膜流动表面波特性的影响[J];计算物理;2011年06期
7 胡国辉;胡军;尹协远;;振动斜板上下落液体薄膜的数值模拟[J];计算物理;2006年01期
中国重要会议论文全文数据库 前5条
1 胡军;尹协远;BenHadid Hamda;Henry Daniel;;双层下落薄膜流动的线性稳定性研究[A];第七届全国流体力学学术会议论文摘要集[C];2012年
2 廖洪;刘赵淼;郝海舟;;波形板上的薄膜流动的流变特性[A];北京力学学会第12届学术年会论文摘要集[C];2006年
3 胡国辉;胡军;尹协远;;振动斜板上下落液体薄膜的数值模拟[A];第十七届全国水动力学研讨会暨第六届全国水动力学学术会议文集[C];2003年
4 任玲;朱克勤;;平板挤压薄膜流动的线性稳定性分析[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
5 张朝辉;雒建斌;雷红;;化学机械抛光中的纳米级薄膜流动[A];中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集(二)[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 朴明日;沿波纹壁面下落薄膜流动的动力学特性研究[D];上海大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 廖洪;波形板上薄膜流动的动力学分析[D];北京工业大学;2006年
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