液滴撞击不同润湿性管壁的动态特性研究

摘要

本文利用CLSVOF方法对液滴撞击不同润湿性管壁的动态过程进行了三维数值模拟研究，分析了曲率比分别为0.65、0.43和0.32时，液滴撞击亲水、疏水和超疏水管壁时的动态特性，以及撞击速度、粘性系数、表面张力系数和偏心距对液滴撞击超疏水管状壁面后动态特性的影响，此外对液滴撞壁后的过程变化机理展开了分析。 在相同曲率比和撞击速度的条件下，壁面接触角越小，越有利于液膜的铺展，液膜能达到的最大无量纲铺展系数D*max越大，其能达到的最大无量纲液膜中心高度H*max越小。在本文计算范围内，当撞击速度和壁面接触角一定时，曲率比越小，重力的作用越小，越不利于液膜的铺展，液膜的最大无量纲铺展系数D*max越小；当保持撞击速度不变，壁面润湿性越差，曲率比越小，液膜回缩过程中卷吸的气泡越大。 在曲率比为0.32的条件下，本文研究了撞击速度对液滴在超疏水管壁上动态变化的影响。根据液滴在管壁上动态特性的差异，将其反弹状态分为整体反弹、断裂反弹以及破碎反弹，在研究的撞击速度范围内，给出了液滴撞击超疏水管壁后反弹运动状态发生转变的临界条件。在曲率比为0.43的超疏水管壁上，当表面张力系数保持不变时，液滴粘性系数越小，铺展过程中损失的能量越小，铺展系数的最大值越大，液膜的回缩速度越快，并且率先发生反弹，反弹高度也越大；当粘性系数一定，随着表面张力系数的增大，液膜达到最大铺展所需要的时间减小，越不利于液滴的铺展，液膜回缩越快；当表面张力系数为0.01(N/m)时，液膜外缘出现飞溅，不发生反弹。 液滴撞击超疏水管壁后出现反弹主要是由于液膜在回缩过程中，表面能逐渐转化为重力势能，液膜高度不断升高，液膜周围气流的运动成为了液膜反弹脱离壁面的主要推动力；液膜内部存在的低压力区会导致“颈缩”现象的产生，同时速度的不均匀性使得其靠外边缘区域的界面张力不一致，促使液膜发生飞溅现象。 在曲率比为0.43的条件下，液滴偏心撞击超疏水管壁的动态特性受撞击偏心距影响较大。在偏心距为0.5mm和1mm时，由于偏心撞击时卷吸气泡，使得液膜出现断裂现象；随着偏心距的增大，气泡形成的位置向管外侧移动；而当偏心距达到1.5mm时，液膜在管壁上的接触时间明显变短，整体弹离壁面。

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