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粘弹性液滴的撞击动力学过程数值研究

2020-12-02阅读(92)

粘弹性液滴的撞击动力学过程数值研究

论文摘要

粘弹性液滴的撞击现象广泛存在于自然界和人类的生产生活当中,这类现象的机理性研究及相关控制技术的探索具有重要的科学意义和应用价值。由于涉及了移动接触线、相界面拓扑变化,表面应力效应以及粘弹性流变特性等因素,且各种因素相互耦合影响,粘弹性液滴的撞击动力学问题呈现了高度复杂的非线性特征。因此,为了探究这类撞击现象背后的物理机理,实现粘弹性液滴的精准操控,相关的数值模拟技术亟待发展。本论文针对粘弹性液滴撞击现象的具体问题——撞击固壁和撞击液面,分别发展了考虑了动态润湿效应的粘弹性两相流动数值模型和粘弹性流体的三相流动数值模型,通过OpenFOAM?开源平台对建立的数值模型进行程序实现,并对粘弹性液滴的撞击动力学行为开展了模拟研究。主要的研究内容及相关结论如下:（1）基于两组分Phase Field方法,结合Oldroyd-B粘弹性本构模型,并引入动态润湿边界条件,建立了能够描述动态润湿效应的粘弹性两相流动数值模型。该模型克服了移动接触线问题的应力奇异性问题,同时能够准确地描述接触角的动态变化。经检验,所提出的模型具有模拟精度高,实现简单等优点。（2）数值模拟了粘弹性液滴撞击固壁的动力学过程。探讨了粘弹性液滴的多种物性参数对撞击现象的影响机制。数值结果显示,粘弹性液滴的弹性效应对撞击的铺展和回缩具有促进作用,并且法向应力差主要发生于接触线附近和轴对称附近的区域。（3）基于三组分Phase Field方法,并结合连续界面力模型和Oldroyd-B粘弹性本构模型,建立了粘弹性流体的三相流动数值模型。该模型具有准确描述三相相界面及其表面应力的耦合作用的能力,且连续界面力模型和使用保证了数值计算的稳定性。（4）数值模拟了粘弹性液滴撞击液面的动力学过程,探究了撞击过程中的液滴形变状态和法向应力差分布的时间演化规律,以及不同的特征参数对该流动系统的影响。结果显示,粘弹性液滴的粘弹特性对液滴的撞击过程起重要影响,弹性效应对液滴的铺展和变形起着促进作用,但是液滴最终稳定状态只与表面张力力平衡关系和重力有关。

论文目录

  • 中文摘要
  • 英文摘要
  • 1 绪论
  •   1.1 课题背景要点
  •   1.2 液滴撞击动力学
  •     1.2.1 液滴与固体壁面撞击的研究现状
  •     1.2.2 液滴与液体表面撞击的研究现状
  •   1.3 多相界面数值模拟技术研究进展
  •   1.4 粘弹性流体的多相流动研究进展
  •   1.5 研究目的和研究内容
  •     1.5.1 研究目的
  •     1.5.2 研究内容
  • 2 基于Phase Field方法的粘弹性流体多相流模型
  •   2.1 引言
  •   2.2 Phase Field方法
  •     2.2.1 两组分Phase Field方法
  •     2.2.2 连续表面张力模型
  •     2.2.3 润湿边界条件
  •   2.3 粘弹性流体的速率型本构方程
  •     2.3.1 Maxwell模型
  •     2.3.2 随流微商的引入
  •     2.3.3 Maxwell模型的推广
  •   2.4 粘弹性流体的不可压两相流模型
  •   2.5 本章小结
  • 3 基于有限体积法求解粘弹性流体的多相流模型
  •   3.1 引言
  •   3.2 有限体积法的离散策略
  •     3.2.1 时间项的离散
  •     3.2.2 对流项的离散
  •     3.2.3 扩散项的离散
  •     3.2.4 源项的离散
  •     3.2.5 梯度的离散
  •     3.2.6 边界条件的离散
  •   3.3 粘弹性流体的数值处理方法
  •     3.3.1 双侧扩散技术
  •     3.3.2 粘弹性流体的边界条件
  •   3.4 Phase field模型的求解策略
  •   3.5 求解流程
  •   3.6 数值验证结果与讨论
  •     3.6.1 毛细现象
  •     3.6.2 静态接触角
  •     3.6.3 粘弹性液滴撞击现象
  •   3.7 本章小结
  • 4 粘弹性液滴的撞击固壁问题模拟
  •   4.1 引言
  •   4.2 接触线附近区域的流动分析与应力奇异性问题
  •     4.2.1 接触线的应力奇异性问题
  •     4.2.2 应力奇异性问题的解决方法
  •   4.3 动态接触角模型
  •     4.3.1 动态接触角模型简介
  •     4.3.2 动态接触角边界条件的施加
  •   4.4 验证算例
  •   4.5 粘弹性液滴的移动接触线模拟
  •     4.5.1 计算模型
  •     4.5.2 结果分析
  •   4.6 本章小结
  • 5 粘弹性液滴的撞击液面问题模拟
  •   5.1 引言
  •   5.2 粘弹性流体的三相流体模型
  •     5.2.1 三组分Phase Field方法
  •     5.2.2 粘弹性流体的不可压三相流模型
  •     5.2.3 验证算例——双静止液滴及Laplace定律
  •     5.2.4 验证算例——液滴铺展
  •   5.3 粘弹性液滴撞击液面模拟
  •     5.3.1 计算模型
  •     5.3.2 网格有效性分析
  •     5.3.3 结果分析
  •   5.4 本章小结
  • 6 结论与展望
  •   6.1 研究结论
  •   6.2 不足与展望
  • 参考文献
  • 附录
  •   A 作者在攻读硕士学位期间发表论文的目录
  •   B 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目
  •   C 学位论文数据集
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 李家宇

    导师: 曾忠

    关键词: 粘弹性流体,液滴撞击,方法,动态润湿现象,多相流

    来源: 重庆大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 力学

    单位: 重庆大学

    分类号: O351.2

    DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.000813

    总页数: 97

    文件大小: 2891k

    下载量: 17

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