搜索北京理工大學在液滴動力學領域取得重要進展
2017-03-11 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
近日,北京理工大學宇航學院兵器發射理論與技術課題組的郝繼光講師與加拿大英屬哥倫比亞大學機械工程系系主任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動表面后形成的非對稱飛濺這一氣液兩相含流體結構耦合的高度瞬態的復雜流動現象的形成機理及抑制機制,為液滴飛濺物理機理的理解做出了重要的貢獻。目前該研究成果已發表于國際流體力學頂級期刊《Physics of Fluids》,文章題目為《Splash threshold of a droplet impacting a moving substrate》。
液滴飛濺現象廣泛存在于自然界和一系列工農業應用中,實例包括雨滴沖擊巖石土壤、超冷雨滴沖擊飛機翼面成冰、3D打印、燃燒、噴涂、冷卻、農藥噴灑等等。根據應用場合,液滴飛濺可利可弊,在有些應用場合,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,因而對其調制的需求廣泛存在。然而雖然歷經逾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流動機理仍未充分理解,其中液滴飛濺由于其高度瞬態的特性尤其缺乏理解,更不用提液滴非對稱飛濺的流動機理。
在此背景下,課題組經過大量的試驗研究發現液滴在切向速度作用下形成的上游強化飛濺(圖1)可以通過降低環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、表面運動速度下抑制飛濺所需的臨界值(圖3(a));基于空氣動力學解釋了液滴非對稱飛濺及其抑制機理,通過擴展一個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動速度的影響,成功將在一系列試驗條件下獲得的臨界值坍縮到一條曲線上(圖3(b))。
圖1 液滴沖擊靜止表面形成的對稱飛濺(a)和運動表面的非對稱飛濺(b)
圖2 從圖(a)到圖(d)環境壓力逐漸降低,非對稱飛濺亦逐漸減弱并最終消失
圖3 不同試驗條件下的臨界值(a)帶入擴展模型后被坍縮到一條曲線上(b)
鑒于對液滴飛濺機理理解的匱乏,求解液滴飛濺臨界值的模型或不完整或缺乏實驗數據支撐,從而無法從物理角度完整準確描述液滴飛濺,更不用提其調制。本研究除對于液滴飛濺物理機理的理解具有重要的推動作用外,更進一步驗證了所擴展模型的適用性,并為其準確性提供了進一步的支持,從而促進了液滴飛濺現象的物理描述。
文章鏈接:http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4972976
本文內容來自北京理工大學宇航學院官網。
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