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液滴与复杂壁面作用的动力学及流固耦合研究

朱阳  
【摘要】:液滴与复杂壁面的相互作用的问题在自然界,日常生活以及工业生产中都是十分常见。前人虽然对液滴撞击问题做了大量的研究工作,但是对于液滴与复杂壁面的相互作用以及液滴与物体流固耦合等问题缺乏定量的研究。因此本文采用扩散界面-浸入边界方法进行数值模拟,重点研究了液滴撞击球面的动力学行为以及液滴与圆球的流固耦合问题。主要工作内容可分为以下三个部分:(1)对液滴撞击球面后在球面上的铺展和回缩动力学进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明,圆球与液滴的相对大小λr对于液滴在球面上的铺展和回缩动力学具有重要影响。在液膜铺展初期,液膜前端会形成一层均匀厚度的液膜,此均匀液膜厚度hL能够被近似为hL,∞(1+3/4λr-3/2),其中hL,∞为λr趋于无穷时液膜的厚度。在液膜铺展初期,当无量纲时间被液膜厚度重新尺度化后,液滴在球面上润湿面积的变化不依赖于λ7r。另外我们发现液滴在球面上回缩过程呈匀速状态,通过理论分析我们得到了两种机制下液滴的回缩速度,且与数值结果吻合良好。最后我们将此问题延伸至凹球面问题,此时液膜厚度hL可以被λr近似为hL,∞o/(1+1/4Ar-1)。如果将凹球面曲率定义为负数,那么不管凹球面还是凸球面,hL都是随着曲率增大而增大,而且凸球面上的铺展动力学分析结果同样也适用于凹球面。(2)对液滴撞击圆球后出现的不同模态进行了数值模拟研究。通过改变液滴的We数和圆球与液滴的相对大小λr,发现了四种模态,即液滴回弹模态,圆球穿透液滴模态,液滴包裹圆球模态以及液滴脱离球面模态。在液滴脱离模态中,我们发现接触线钉扎在球面上的现象为该模态出现的关键。通过分析接触线附近的受力平衡,我们得到接触线钉扎位置与We数以及接触角的关系。最后我们理论分析了两两模态间的理论转化临界条件,并且理论与数值模拟结果对比良好。(3)对液滴撞击可移动圆球的流固耦合问题在较小韦伯数和较大雷诺数下进行数值模拟研究,并且关注圆球与液滴的质量比对撞击动力学的影响。通过数值模拟我们发现了两种模态:液滴弹离模态和液滴附着模态,并给出了两种模态理论上的转化条件。对于液滴弹离模态,理论分析了液滴铺展和回缩的时间尺度,定量分析了圆球在液滴铺展和回缩两个阶段对圆球速度影响。最后,我们通过圆球速度演化规律推导了在弹离模态中液滴从撞击开始到弹离球面时圆球的下降距离。


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