北京理工大学在液滴动力学领域取得重要进展

2017-03-11  by:CAE仿真在线  来源:互联网

近日,北京理工大学宇航学院兵器发射理论与技术课题组的郝继光讲师与加拿大英属哥伦比亚大学机械工程系系主任Sheldon I. Green教授(加拿大工程院院士)合作,通过研究液滴冲击干燥光滑运动表面后形成的非对称飞溅这一气液两相含流体结构耦合的高度瞬态的复杂流动现象的形成机理及抑制机制,为液滴飞溅物理机理的理解做出了重要的贡献。目前该研究成果已发表于国际流体力学顶级期刊《Physics of Fluids》,文章题目为《Splash threshold of a droplet impacting a moving substrate》。

液滴飞溅现象广泛存在于自然界和一系列工农业应用中,实例包括雨滴冲击岩石土壤、超冷雨滴冲击飞机翼面成冰、3D打印、燃烧、喷涂、冷却、农药喷洒等等。根据应用场合,液滴飞溅可利可弊,在有些应用场合,如燃烧、冷却等,液滴飞溅对于增加气液接触面积是有利的,另外一些场合,如喷涂、农药喷洒、3D打印等,液滴飞溅对于液体的均匀布洒是不利的,因而对其调制的需求广泛存在。然而虽然历经逾140年的研究,即使对于液滴垂直冲击固体表面形成的对称液膜的瞬态流动机理仍未充分理解,其中液滴飞溅由于其高度瞬态的特性尤其缺乏理解,更不用提液滴非对称飞溅的流动机理。

在此背景下,课题组经过大量的试验研究发现液滴在切向速度作用下形成的上游强化飞溅(图1)可以通过降低环境气体压力而得到抑制(图2),并获得了不同液滴直径、冲击速度、粘性、表面运动速度下抑制飞溅所需的临界值(图3(a));基于空气动力学解释了液滴非对称飞溅及其抑制机理,通过扩展一个最近提出的求解液滴冲击光滑静止表面后飞溅临界值的模型,使其可以包含表面运动速度的影响,成功将在一系列试验条件下获得的临界值坍缩到一条曲线上(图3(b))。

图1 液滴冲击静止表面形成的对称飞溅(a)和运动表面的非对称飞溅(b)

图2 从图(a)到图(d)环境压力逐渐降低,非对称飞溅亦逐渐减弱并最终消失

图3 不同试验条件下的临界值(a)带入扩展模型后被坍缩到一条曲线上(b)

鉴于对液滴飞溅机理理解的匮乏,求解液滴飞溅临界值的模型或不完整或缺乏实验数据支撑,从而无法从物理角度完整准确描述液滴飞溅,更不用提其调制。本研究除对于液滴飞溅物理机理的理解具有重要的推动作用外,更进一步验证了所扩展模型的适用性,并为其准确性提供了进一步的支持,从而促进了液滴飞溅现象的物理描述。

文章链接:http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4972976

本文内容来自北京理工大学宇航学院官网。

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