北京理工大學(xué)在液滴動力學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

2017-03-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

近日,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院兵器發(fā)射理論與技術(shù)課題組的郝繼光講師與加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)機(jī)械工程系系主任Sheldon I. Green教授(加拿大工程院院士)合作,通過研究液滴沖擊干燥光滑運(yùn)動表面后形成的非對稱飛濺這一氣液兩相含流體結(jié)構(gòu)耦合的高度瞬態(tài)的復(fù)雜流動現(xiàn)象的形成機(jī)理及抑制機(jī)制,為液滴飛濺物理機(jī)理的理解做出了重要的貢獻(xiàn)。目前該研究成果已發(fā)表于國際流體力學(xué)頂級期刊《Physics of Fluids》,文章題目為《Splash threshold of a droplet impacting a moving substrate》。

液滴飛濺現(xiàn)象廣泛存在于自然界和一系列工農(nóng)業(yè)應(yīng)用中,實(shí)例包括雨滴沖擊巖石土壤、超冷雨滴沖擊飛機(jī)翼面成冰、3D打印、燃燒、噴涂、冷卻、農(nóng)藥噴灑等等。根據(jù)應(yīng)用場合,液滴飛濺可利可弊,在有些應(yīng)用場合,如燃燒、冷卻等,液滴飛濺對于增加氣液接觸面積是有利的,另外一些場合,如噴涂、農(nóng)藥噴灑、3D打印等,液滴飛濺對于液體的均勻布灑是不利的,因而對其調(diào)制的需求廣泛存在。然而雖然歷經(jīng)逾140年的研究,即使對于液滴垂直沖擊固體表面形成的對稱液膜的瞬態(tài)流動機(jī)理仍未充分理解,其中液滴飛濺由于其高度瞬態(tài)的特性尤其缺乏理解,更不用提液滴非對稱飛濺的流動機(jī)理。

在此背景下,課題組經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)液滴在切向速度作用下形成的上游強(qiáng)化飛濺(圖1)可以通過降低環(huán)境氣體壓力而得到抑制(圖2),并獲得了不同液滴直徑、沖擊速度、粘性、表面運(yùn)動速度下抑制飛濺所需的臨界值(圖3(a));基于空氣動力學(xué)解釋了液滴非對稱飛濺及其抑制機(jī)理,通過擴(kuò)展一個(gè)最近提出的求解液滴沖擊光滑靜止表面后飛濺臨界值的模型,使其可以包含表面運(yùn)動速度的影響,成功將在一系列試驗(yàn)條件下獲得的臨界值坍縮到一條曲線上(圖3(b))。

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圖1 液滴沖擊靜止表面形成的對稱飛濺(a)和運(yùn)動表面的非對稱飛濺(b)

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圖2 從圖(a)到圖(d)環(huán)境壓力逐漸降低,非對稱飛濺亦逐漸減弱并最終消失

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圖3 不同試驗(yàn)條件下的臨界值(a)帶入擴(kuò)展模型后被坍縮到一條曲線上(b)

鑒于對液滴飛濺機(jī)理理解的匱乏,求解液滴飛濺臨界值的模型或不完整或缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐,從而無法從物理角度完整準(zhǔn)確描述液滴飛濺,更不用提其調(diào)制。本研究除對于液滴飛濺物理機(jī)理的理解具有重要的推動作用外,更進(jìn)一步驗(yàn)證了所擴(kuò)展模型的適用性,并為其準(zhǔn)確性提供了進(jìn)一步的支持,從而促進(jìn)了液滴飛濺現(xiàn)象的物理描述。

文章鏈接:http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4972976

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