基于FTM的液滴撞擊液膜模擬與實驗研究.pdf

1、液滴撞擊液膜過程普遍存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)中，其強烈的質熱交換能力使其在化工、能源等工業(yè)領域中有著廣泛的應用，對此過程進行系統(tǒng)、深入的研究對相關工業(yè)設備的設計與工作過程中的問題有著很重要的作用。液滴撞擊液膜過程是典型的自由界面運動問題，由于撞擊之后的動量交換，使得界面拓撲變化非常復雜。為了研究液滴撞擊液膜過程中的界面變化，本文采用界面追蹤法（Front Tracking Method，F(xiàn)TM）對其進行數(shù)值模擬研究，并使用課題組現(xiàn)有器材搭

2、建液滴撞擊液膜實驗觀測平臺進行實驗研究。
　　采用FTM研究了液滴撞擊液膜過程的形態(tài)變化和產(chǎn)生的卷吸現(xiàn)象，建立相應的數(shù)學物理模型。通過進行網(wǎng)格無關性分析和將模擬結果與之前學者進行的實驗結果進行對比，驗證了FTM方法對于液滴撞擊液膜問題的適用性與準確性。之后，分析了We數(shù)、無量綱液膜厚度和Bo數(shù)等在內的無量綱運動參數(shù)對撞擊過程和結果的影響。結果表明：
　?。?）液滴撞擊液膜初期的壓力云圖顯示：在撞擊區(qū)域，壓力在壁面處達到最大并

3、隨著高度的增加而減小，在撞擊影響不到的區(qū)域壓力不變化；液滴撞擊之后，會先在二者接觸的頸部區(qū)域產(chǎn)生一個小的射流，這個射流是后期水花形成的基礎；水花形成之后會向兩側運動，水花寬度逐漸增加，水花高度則是先增大后減??；中心液膜厚度隨著時間的推進而不斷減小。
　　（2）液滴撞擊液膜初期壓力場與We數(shù)有關：隨著We數(shù)的增加，壁面處的壓力越大；We數(shù)還與水花的生成有關，當We數(shù)較小時，液滴撞擊液膜初期不產(chǎn)生射流撞之后也不形成水花；另外，We數(shù)的

4、增加也會使水花高度增加；兩相粘度比的減小會使得水花生成時間推后，抑制水花的生成；射流強度隨著無量綱液膜厚度的增大而減弱；液膜厚度還對生成水花的形態(tài)有影響，液膜厚度越大，水花與水平方向的傾斜角越小，但水花厚度越大。
　?。?）卷吸現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于液滴下落至液膜過程中，兩者之間的氣體被壓縮形成新月形氣膜，液滴與液膜發(fā)生形變產(chǎn)生凹陷；液滴繼續(xù)下落過程中，當氣膜中間部分氣體還未從兩端逃逸出去而液滴與液膜兩端已融合時，卷吸現(xiàn)象產(chǎn)生；卷吸氣膜

5、產(chǎn)生后在表面張力和流體剪切力的作用下聚攏并從中間斷裂形成卷吸氣泡；液膜厚度對卷吸現(xiàn)象是否產(chǎn)生影響較小，但對卷吸氣膜和卷吸氣泡形成的時間有一定影響，氣泡運動強度也越?。籅o數(shù)對卷吸氣膜的形成影響較小，但對卷吸氣泡的形成影響較大。
　　利用課題組現(xiàn)有器材搭建了液滴撞擊液膜實驗觀測平臺，選取初始高度和液膜厚度兩個變量進行實驗研究，分析了不同撞擊參數(shù)下的界面形態(tài)變化，主要結論有：冠狀水花產(chǎn)生的主要影響因素是初始高度；本實驗中，當初始高度為