液滴热毛细迁移问题的数值模拟研究

来源 :中国科学院力学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shy19780928
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液滴或气泡的迁移现象无论是在流体力学的基础研究中,还是在材料加工,化学工程等实际应用中都是一个很重要的课题。微重力环境下,如果在液滴或气泡所在的母液中外加一个温度场,则液滴或气泡就会由于表面张力的不均匀而发生迁移运动,这种运动被称为Marangoni迁移或热毛细迁移运动。在前人的研究中,对于Marangoni数(Ma)比较小即热对流效应比较弱时的液滴迁移情况,已经有了很多详细的结果,而且也得到了比较一致结论。对于Ma数比较大的情况,目前还没有得到过与空间实验一致的理论结果,此时液滴热毛细迁移问题的非定常过程,至今仍不是很清楚。   本文采用数值模拟的方法对大Ma数时液滴热毛细迁移的非定常过程进行研究。方程离散是用有限差分方法,同时引入front-tracking方法来处理运动界面问题。在模拟中采用柱坐标轴对称模型,同时忽略了液滴变形对问题产生的影响。通过大量的算例分析发现,大Ma数时液滴迁移速度的演变过程与Ma数较小时是不同的,在达到稳定迁移状态之前,液滴速度会出现明显的上下起伏,大多都会经历初始迁移速度增加然后减小最后达到稳定这个过程。分析整个迁移过程中的液滴内部及周围温度场的变化发现,造成速度状态变化的原因是热对流作用使得温度场变化从而改变了界面上的温度分布,最终影响了液滴的迁移速度。在分析各个无量纲量对于迁移问题的影响时发现,无论是母液还是液滴,液滴的无量纲迁移速度都会随Ma数的增大而减小,随Re数的增大而增大。本文中还通过神舟四号飞船的算例比较了实验情况下Ma数增大对于液滴迁移的影响,得到了和实验一致的结果。对于实际实验中引入的一些特殊条件,如粘性系数随温度变化情况以及一些初始扰动对迁移运动的影响,本文也进行了分析。同时文章中还对轴对称模型下的双滴间相互作用问题给出了初步的研究结果。
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