单液滴正碰壁面动态特性行为研究

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液滴撞击壁面现象广泛存在于工业与日常生活中,掌握液滴撞击壁面的动态行为变化规律,是深入研究液滴撞击动力学,探究微小液膜粘附流动机理的关键所在,对石油化工、燃油雾化、涂层等工业应用具有重要意义。本文依托“浙江省自然科学基金项目”(LY15E060007)与“省科技计划新苗人才计划”(2018R407064),围绕着液滴碰撞这一科学问题,在自行搭建的液滴撞击平台实验装置上,开展了生物质油滴撞击常温与热壁面动态行为特性的实验研究工作,分析了热壁面上附着后的液滴蒸发行为过程,主要工作及创新点具体如下:1)液滴在较高韦伯数下撞击干燥常温壁面的动态行为实验研究。采用动态铺展因子实时考察了液滴撞击常温干燥壁面的完整动态行为过程,着重分析了典型壁面结构(曲率)、韦伯数、油滴物性等参数变化的影响,进行了相应的理论分析,并与前人研究结果进行了对比,结果表明几何结构对液滴铺展行为影响明显,曲率较小时,液滴撞击后呈现明显的铺展、回缩、震荡、及附着动态行为过程,并随曲率减小,最大铺展因子逐渐趋向于撞击平面壁面的最大铺展因子;曲率较大时,液滴撞击后液膜铺展会超出曲面直径,甚至会出现滑落破碎;液膜铺展结果与Zhu等人数值模拟结果相吻合,韦伯数对液膜铺展速率影响较小,最大铺展因子随韦伯数增加逐渐增大,呈指数分布,分别获得了相应经验关联式,并与Clanet等人结果相吻合。2)较高韦伯数下撞击后液膜回缩震荡行为过程研究。详细分析三种典型壁面结构下,韦伯数与奥内左格数对油膜回缩速率、回缩时间、及回缩量的影响,结果表明液滴撞击后,液膜在平面结构上的回缩量最大,柱面回缩量最小;随韦伯数增加液膜回缩速率增大,回缩时间减少;当Oh较小时,随韦伯数增加,液膜回缩量增大明显,当Oh数较大时,韦伯数对回缩量影响较小,回缩行为受粘性影响较为明显。3)较高韦伯数下撞击后液膜稳定附着壁面形态特征研究。在三种典型壁面结构下、详细分析了曲率、韦伯数、及奥内左格数对稳定附着后液膜形态的影响,研究了稳定附着后液膜接触角、附着直径、附着高度的变化规律,结果表明稳定附着后,结构壁面不同,液膜附着接触角完全不同,同一结构下,曲率减小,接触角逐渐增大,平面壁面接触角最大;4)对饱和温度下油滴撞击热壁面上行为与附着蒸发耦合过程研究。详细分析了壁面温度、韦伯数、油滴物性对撞击热壁面动态行为的影响,考察了热壁面上液膜稳定附着后的蒸发特性。结果表明壁面温度对油滴铺展影响较小,但对液膜回缩影响明显,壁面温度升高,回缩速度逐渐增大,回缩量逐渐减小,且在回缩期容易发生破裂,甚至会回缩成两个附着液膜。液滴物性不同,蒸发模式差别较大,随着乙醇浓度增加,油滴蒸发的“钉扎效应”现象逐渐减弱,并在乙醇含量95%(Vol)时完全消失,蒸发形态变为接触直径与液膜高度同时下降;随壁面温度升高,液膜蒸发速率迅速增加,并呈指数关系上升。
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