【摘 要】
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流体毛细界面行为和流动特性的研究在空间流体管理和材料制备等方面有着重要的应用价值。在微重力环境中,流体失去重力的约束后自由度增加,无疑给流体的储存、控制和传输增添了
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流体毛细界面行为和流动特性的研究在空间流体管理和材料制备等方面有着重要的应用价值。在微重力环境中,流体失去重力的约束后自由度增加,无疑给流体的储存、控制和传输增添了难度,只能利用内聚力、附着力、表面张力等次级力来管理流体。研究流体在内角处和平行板间隙内的界面行为和流动特性对空间流体管理有着重要的指导意义。 本文研究了液体在理想尖内角、圆内角和内角角度大于180度的内角(优角)处的毛细界面行为,分析了液体在平行板间隙内的毛细爬升规律,最后对平行板开口毛细流道的流动特性展开了研究。 对液滴在圆内角处的毛细界面行为进行了理论分析和数值模拟,并与理想尖内角处的液滴毛细界面行为做对比,得到了定性和定量的新规律,与理想尖内角不同的是,液滴的毛细界面行为不仅与与接触角θ、内角的角度2α有关,还与圆内角的圆角半径r、液滴的体积V有关。 对液滴在内角角度大于180度的内角处的毛细界面行为也进行了理论分析和数值模拟,得到了一些新的现象,液滴在大于180度的一种对称内角系统中,如果接触角和内角角度的一半满足θ+α<π,液滴就能稳定存在于对称内角系统的中心位置,反之,如果接触角和内角角度的一半满足θ+α>π,液滴将自发地向两侧中的任意一侧移动,接触角和内角角度的一半之和越大,液滴偏向一侧的程度越大。 对液体在平行板间隙内的毛细爬升问题进行了理论分析和数值模拟,液体在毛细力的驱动下在平行板间隙内自发地爬升,与圆管毛细爬升、多孔介质内的液体爬升进行对比,三者最开始进行毛细爬升那一刻都符合液体爬升高度与时间的平方成正比的规律。当毛细爬升很长一段时间后,液体在平行板间隙内的毛细流动和液体在圆管内的毛细流动都可以视作Poiseuille流动,可以求出液体爬升高度与时间的二分之一次方成正比的规律。 对于平行板开口毛细流道的流动研究,通过数值模拟获得流体在毛细流道内的流动信息和直观的流动图像,并发现了前人研究中尚未发现的新现象,即在超临界流量状态下,进入流道内的气泡的体积随着总体积流量的增大而增大。利用理论分析证实了本文数值模拟得到的气泡体积随总体积流量增大而增大这一规律的正确性。首次开展常重力环境下的平行板开口毛细流道实验,进一步验证了气泡体积随体积流量增大而增大的这一规律,充分说明了本文获得这一结论的可靠性。
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