液滴撞击超疏水壁面运动的模拟研究

摘要

喷雾撞壁的现象广泛存在于各个领域。在直喷式汽油机和高速、高压中小型直喷式柴油机中，受燃烧室空间几何形状的影响，喷雾撞壁现象的出现几乎不可避免。燃油撞壁后的物理过程直接影响发动机的热效率与污染物排放，单液滴撞壁的研究是液滴撞壁研究的基础。而对于超疏水壁面上液滴撞击行为的研究还不十分全面，因此论文以单液滴为研究对象，开展了液滴撞击超疏水壁面运动的基础性研究。研究工作可以丰富液滴撞壁的研究内容，为液滴碰壁现象的控制及利用研究提供理论依据。
　　液滴撞击壁面时，壁面亲水性对液滴撞击壁面后的变化历程具有重要的影响。本文首先通过建立液滴撞壁二维模型，使用流体软件Fluent中相界面追踪的复合Level Set-VOF方法对液滴垂直撞击超疏水壁面的运动进行了研究。研究了液滴撞击超疏水壁面液滴形态变化，得到了不同初始条件下撞壁后呈铺展、反弹及破碎的运动状态;分析了液滴初始粒径以及初始速度对撞壁后运动状态的影响;通过对压力场及速度场分析，得到液滴发生反弹及破碎现象的原因;探索得出了一定条件下液滴垂直撞击超疏水壁面反弹及破碎的临界条件。
　　其次，开展了液滴斜向撞击壁面运动的研究。分析了液滴斜向撞击干壁面铺展运动时液滴形态及特征参数的变化历程;获得了初始条件对液滴斜向撞壁后铺展运动的影响规律;对壁面处气泡卷吸形成过程及初始条件和壁面亲水性对气泡形成的影响进行了仿真分析。
　　结合以上研究内容，开展了液滴斜向撞击超疏水壁面运动的研究。对比分析液滴斜向撞击超疏水壁面运动状态变化;研究液滴斜向撞壁后铺展及反弹运动，得到撞击角度及初始条件对铺展及反弹运动的影响，并分析了反弹现象产生的原因;着重研究撞击角度及初始条件对液滴斜向撞击超疏水壁面破碎行为的影响，分析了破碎现象产生的原因;探索得出了一定条件下液滴斜向撞击超疏水壁面反弹及破碎的临界条件。
　　最后，文章开展了对液滴撞击超疏水壁面上较薄液体层，液膜发生断裂现象的探索性研究。分析得出了随着壁面亲水性的减弱，有利于液滴撞击较薄液体层发生液膜断裂现象;研究了液滴初速度、液滴初始粒径及液膜厚度对液滴垂直撞击液膜断裂现象的影响，进一步分析了液膜断裂的原因;同时研究了撞击角度及初始条件对液滴斜向撞击液膜断裂现象的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 液滴撞壁模型的研究现状

1．2．2 液滴撞击壁面的研究现状

1．3 研究内容

2 理论基础及数值模拟相关问题

2．1 相界面追踪方法

2．1．1 VOF方法

2．1．2 Level Set方法

2．1．3 复合Level Set—VOF方法

2．2 控制方程建立

2．2．1 物理模型

2．2．2 控制方程

2．3 初始条件及边界条件的确定

2．3．1 计算区域初始化

2．3．2 边界条件确定

2．4 模型求解

2．5 网格划分及网格无关性验证

2．6 数值模拟结果验证

2．7 本章小结

3 超疏水壁面撞击运动的研究

3．1 液滴撞击不同亲水性壁面运动形态研究

3．1．1 液滴低速撞击不同亲水性壁面运动形态

3．1．2 液滴高速撞击不同亲水性壁面运动形态

3．2 液滴撞击超疏水壁面运动影响因素分析

3．2．1 液滴粒径的影响

3．2．2 液滴初速度的影响

3．3 液滴撞壁发生反弹及破碎临界条件

3．3．1 反弹及破碎现象产生的原因

3．3．2 反弹及破碎现象发生的临界条件

3．4 本章小结

4 液滴斜向撞击壁面运动的研究

4．1 物理模型的描述

4．2 液滴斜向撞击壁面运动及影响因素分析

4．2．1 液滴撞壁后运动形态及特征参数的变化

4．2．2 撞击角度对液滴撞壁后铺展运动的影响

4．2．3 液滴粒径及速度对液滴斜向撞壁铺展运动的影响

4．3 撞壁过程气泡卷吸现象分析

4．3．1 气泡形成过程分析

4．3．2 初始条件对气泡卷吸现象的影响

4．3．3 壁面亲水性对气泡卷吸现象的影响

4．4 本章小结

5 液滴斜向撞击超疏水壁面运动研究

5．1 液滴斜向撞击超疏水壁面运动状态分析

5．2 液滴斜向撞击超疏水壁面铺展及反弹运动分析

5．2．1 铺展运动分析

5．2．2 反弹运动分析

5．2．3 产生反弹现象的原因分析

5．3 液滴斜向撞击超疏水壁面破碎运动分析

5．3．1 撞击角度的影响

5．3．2 液滴粒径的影响

5．3．3 液滴初速度的影响

5．3．4 产生破碎现象的原因分析

5．4 液滴斜向撞击超疏水壁面运动状态转变的临界条件

5．5 本章小结

6 超疏水壁面条件下液膜断裂现象的研究

6．1 液滴撞击液膜运动状态研究

6．2 超疏水条件下垂直撞击液膜断裂现象影响因素分析

6．2．1 液滴初速度影响

6．2．2 液滴初始粒径及液膜厚度的影响

6．2．3 液膜断裂现象原因分析

6．3 超疏水条件下斜向撞击液膜断裂现象影响因素分析

6．3．1 不同撞击角度下的液膜断裂现象

6．3．2 液滴初速度的影响

6．3．3 液滴初始粒径及液膜厚度的影响

6．4 本章小结

7 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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