液滴撞击移动常温和冷表面动力学特性研究

论文摘要

液滴撞击表面在工程中广泛存在和应用,对液滴撞击移动常温表面和移动冷表面动力学行为研究具有科学意义和工程应用价值。本文研究了液滴撞击静止与移动常温与冷普通表面和常温超疏水表面的动力学行为特征,结论如下:1、液滴撞击移动表面铺展过程呈非对称分布,在液膜后端形成液指,液膜前端无液指。液膜后端尾流产生润湿沉积、单液指、断裂分离和多液指四种形态。剪切韦伯数较小时,液滴润湿沉积,随剪切韦伯数增大,单液指被拉伸和拉断,产生次生液滴,形成液滴断裂分离。撞击韦伯数较大时,液体向液膜后端聚集并产生多个液指。液滴纵向铺展因子随剪切韦伯数增大而增大,液滴最大横向铺展因子随剪切韦伯数增大而减小。相同时刻纵向铺展因子与横向最大铺展因子之比β1/αm与（Ws/Wn）1/2呈线性关系,β1/αm=0.61（We/Wen）1/2+0.64。2、液滴撞击静止常温超疏水表面时具有完全反弹、回缩中破碎和铺展中飞溅等三种形态。在41≤Wen≤73时,液滴完全反弹脱离壁面;在77≤Wen≤82时,液滴在回缩过程中破碎;在85≤Wen≤122时,液滴在铺展过程中飞溅。液滴撞击超疏水壁面后完全反弹和破碎的临Wen为77,回缩过程中破碎和铺展过程中飞溅的临界Wn为85。3、液滴撞击移动常温超疏水表面促进前端液膜出现液指,表面移动促进液指发生断裂,产生次生液滴;低速移动（Wen≤367）时,液滴未发生破碎,无次生液滴产生。中速移动（651≤Wes≤1018）时,铺展液膜前端会产生单液指,在回缩阶段,液指断裂、破碎,并产生次生液滴。高速移动（1465≤Wes）时,液滴液膜前端液指在铺展过程中破碎。表面移动促进液膜前端提前回缩反弹脱离表面,并对液膜拉伸导致整体液滴完全反弹脱离壁面,并被拉伸为不规则长条液体柱。前端液指反弹时间和液滴完全反弹时间随表面速度增大而减小。4、液滴撞击静止普通冷表面分为铺展阶段、回缩阶段和冻结沉积三个阶段。冻结阶段又可分为回缩过程冻结及铺展过程冻结。壁面温度对液滴铺展过程影响较小,但对回缩及冻结过程影响大。随壁面温度降低,液滴平衡态铺展因子具有先增大后减小变化规律。随撞击韦伯数Wen增加,液滴最大铺展因子增大;壁面温度大于-20℃时,液滴回缩过程中冻结;壁面温度小于-20℃时,液滴在铺展过程中冻结。壁面温度-20℃可作为液滴撞击静止冷壁面铺展与回缩冻结的临界温度。5、液滴撞击移动普通冷表面,剪切韦伯数增大时,液滴在铺展、回缩和冻结过程被拉伸,铺展液膜形状发生较大变化,液膜前端出现瞬间冻结,而液膜后端延迟冻结。表面温度降低抑制液滴横向铺展,剪切韦伯数较大时,表面温度对液滴横向铺展影响较小。6、液滴撞击移动冷表面后液滴后端液膜出现反弹脱离壁面并发生破碎现象。当剪切韦伯数大于1018时,液滴后端液膜反弹脱离壁面并发生破碎。表面温度降低,部分液体被冻结在壁面上,液体反弹破碎减少。表面温度降低、表面速度增大、液滴撞击速度增大易发生液滴部分反弹破碎现象。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 液滴撞击常温静止和移动普通表面研究进展

1.2.1 液滴撞击常温静止表面研究进展

1.2.2 液滴撞击常温移动表面研究进展

1.3 液滴撞击常温静止和移动超疏水表面研究进展

1.3.1 液滴撞击静止超疏水表面研究进展

1.3.2 液滴撞击移动超疏水表面研究进展

1.4 液滴撞击静止冷表面研究进展

1.4.1 液滴撞击普通冷表面研究进展

1.4.2 液滴撞击超疏水冷表面研究进展

1.5 本文主要工作

1.5.1 本文研究目标

1.5.2 本文研究内容

第2章液滴撞击移动壁面理论基础

2.1 液滴表面张力和粘性力的影响

2.1.1 液滴表面张力

2.1.2 液滴粘性力

2.2 液滴撞击壁面后能量变化

2.2.1 液滴撞击壁面动能

2.2.2 液滴表面能

2.2.3 移动表面传递动能

2.3 液滴撞击移动壁面受力分析

2.3.1 液滴接触壁面时的受力分析

2.3.2 液滴铺展过程受力分析

2.3.3 液滴回缩反弹过程受力分析

2.4 本章小结

第3章试验系统与超疏水表面制备及表征

3.1 试验装置示意图

3.1.1 制冷系统

3.1.2 图像采集系统

3.1.3 数据采集系统

3.1.4 高速移动系统

3.1.5 液滴生成系统

3.2 试验步骤与误差分析

3.2.1 试验步骤

3.2.2 测量方法及数据处理

3.2.3 试验误差

3.3 疏水表面制备与表征

3.3.1 疏水表面制备

3.3.2 疏水表面表征

3.4 本章小结

第4章液滴撞击常温移动表面动力学行为特性

4.1 液滴撞击移动表面铺展因子和韦伯数

4.2 液滴撞击移动普通铝表面动态演化

4.2.1 液滴撞击移动铝表面铺展过程

4.2.2 液膜铺展后回缩及后端液指动态演化过程

4.2.3 液膜动力演化机制

4.3 剪切力对液滴动力学行为影响

4.3.1 剪切力对铺展因子影响

4.3.2 剪切力对最大横向铺展因子和铺展时间影响

4.3.3 铺展因子与韦伯数关系

4.3.4 剪切力对液膜尾流的影响

4.4 本章小结

第5章液滴撞击常温静止和移动超疏水表面动力学行为特性

5.1 液滴撞击常温静止超疏水表面

5.1.1 液滴撞击常温静止超疏水表面动力演化过程

5.1.2 液滴撞击速度对铺展因子的影响

5.1.3 液滴反弹和破碎临界条件

5.2 液滴撞击移动超疏水表面

5.2.1 液滴撞击移动超疏水表面动态演化过程

5.2.2 剪切力对液滴纵向铺展因子的影响

5.2.3 剪切力对液滴反弹时间的影响

5.3 本章小结

第6章液滴撞击静止和移动普通冷表面动力学行为特性

6.1 液滴撞击静止普通冷壁面动力学特性

6.1.1 液滴撞击静止冷表面时液滴铺展和冻结演化过程

6.1.2 表面温度对液滴铺展影响分析

6.1.3 液滴铺展过程中冻结临界条件

6.2 液滴撞击移动普通冷表面上动力学行为分析

6.2.1 液滴撞击移动冷普通表面动态演化与冻结行为

6.2.2 表面剪切力对液滴行为影响

6.2.3 表面温度对液滴行为影响

6.2.4 液滴撞击移动冷表面形态变化规律

6.3 本章小结

第7章结论与展望

7.1 结论

7.2 工作展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙志成

导师: 赵孝保,李栋

关键词: 液滴,撞击,移动冷表面,超疏水表面,多液指,反弹破碎

来源: 南京师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 南京师范大学

分类号: O35

DOI: 10.27245/d.cnki.gnjsu.2019.000703

总页数: 74

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