液滴撞击壁面过程的实验研究与数值模拟

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液滴撞击固体壁面的现象在生产生活中广泛存在。例如:喷淋冷却,燃油雾化,海水淡化,喷墨打印等。研究液滴撞击壁面的过程对于理论的完善的实际的工程问题都有着深刻的意义。同时液滴碰撞壁面及振荡过程也是多相流领域重要的研究内容。建立液滴撞击固体壁面的静态铺展力学模型,是进一步研究液滴碰撞固体壁面振荡过程的重要基础。本文对液滴在撞击固体壁面经过振荡衰减后达到静止状态后的形态用多次样条曲线、圆曲线、椭圆曲线对其平衡形态进行了拟合,对比了三种曲线的拟合结果。对比发现利用椭圆曲线拟合较为精准,在理论上具有可操作性。对半椭球形静态铺展模型进行了实验验证,得到了半椭球形液滴静态铺展模型的适用范围,在此范围内模型具有较高的精度。本文通过动态观测试验台获取了液滴撞击壁面的过程,利用LabVIEW编程,对所拍摄的液滴图像进行了轮廓提取。获取了液滴的参数数据,分析了液滴铺展半径、高度及铺展速度随时间的变化规律;初步探究了液滴在振荡过程中动态接触角的变化规律。并用模拟的手段研究了液滴在撞击壁面过程中的速度的分布及变化。得到了液滴在振荡过程中铺展速度及动态接触角的变化规律。为便于更好的分析液滴的振荡铺展过程将液滴振荡及铺展过程按照速度的变化情况分为了发展阶段和后期阶段。最后,本文应用Fluent软件采用VOF模型,对无限长的液柱在具有微结构的粗糙壁面上的碰撞与铺展进行了平面二维数值模拟,着重分析了不同粗糙结构(矩形、三角形、梯形)表面对于液滴振荡铺展的影响,分析了不同粗糙结构下液柱在铺展和回缩过程中运动形态及行为特征。通过与光滑壁面对比得到了壁面上的粗糙结构对液滴铺展过程及达到静态后的平衡形态的影响规律。粗糙结构的存在会改变液体内部流动过程中的速度方向,影响液滴达到静态平衡的时间,降低液体振荡的振幅,改变液滴的振荡周期。
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