液滴振荡模型及与数值模拟的对比

陈石; 王辉; 沈胜强; 梁刚涛

doi:10.7498/aps.62.204702

摘要

由于碰撞壁面后液滴内部流动的复杂性, 以及气-液-固三相间的相互作用, 对液滴碰撞壁面形态变化的数学理论研究有较大的难度, 因此所见者多为实验和数值模拟. 本文通过对液滴受力状态的分析, 得到了惯性力、黏性力和表面张力带经验系数的表达式, 并进一步建立了液滴碰撞壁面振荡模型, 得到了液滴铺展半径的振荡表达式, 以及表面张力、黏性系数等参数对液滴铺展的影响. 最后通过与液滴衰减振荡数值模拟结果的对比, 确定了液滴振荡模型中的修正系数, 验证了模型的可行性.

关键词:

Abstract

Due to the complexity inside the drop after impact on solid surfaces and the interaction among gas, liquid and solid phases, it is difficult to investigate the shape variation of the drop through the theoretical analysis, and most studies have focused on experiments and numerical simulations. In this paper, expressions for empirical coefficients of inertia, viscosity and surface tension are acquired by analyzing the force state. The drop oscillation model after impact is built further. The expression of the drop spreading radius, and the effects of surface tension and viscosity on the spreading process are obtained. Finally, the correction factor in the drop oscillation model is determined and the feasibility of the model is verified by comparing the computational results with the numerical results.

Keywords:

作者及机构信息

1.
大连理工大学能源与动力学院, 大连 116024

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 51176017, 50976016)和辽宁省自然科学基金(批准号: 20102031)资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51176017, 50976016) and the Natural Science Foundation of Liaoning Province, China (Grant No. 20102031).

参考文献

[1]	Ma L Q, Chang J Z, Liu H T, Liu M B 2012 Acta Phys. Sin. 61 054701 (in Chinese) [马理强, 常建忠, 刘汉涛, 刘谋斌 2012 物理学报 61 054701]
[2]	Shen S Q, Cui Y Y, Guo Y L 2009 J. Therm. Sci. Technol. 8 194 (in Chinese) [沈胜强, 崔艳艳, 郭亚丽 2009 热科学与技术 8 194]
[3]	Šikalo Š, Tropea C, Ganić E N 2005 Exp. Therm. Fluid Sci. 29 795
[4]	Šikalo Š, Ganić E N 2006 Exp. Therm. Fluid Sci. 31 97
[5]	Gunjal P R, Ranade V V, Chaudhari R V 2005 Aiche J. 51 59
[6]	Bi F F, Guo Y L, Shen S Q, Chen J X, Li Y Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 184702 (in Chinese) [毕菲菲, 郭亚丽, 沈胜强, 陈觉先, 李熠桥 2012 物理学报 61 184702]
[7]	Liang G T, Shen S Q, Guo Y L, Chen J X, Yu H, Li Y Q 2013 Acta Phys. Sin. 62 084707 (in Chinese) [梁刚涛, 沈胜强, 郭亚丽, 陈觉先, 于欢, 李熠桥 2013 物理学报 62 084707]
[8]	Shen S Q, Yu H, Guo Y L, Liang G T 2009 J. Therm. Sci. Technol. 12 20 (in Chinese) [沈胜强, 于欢, 郭亚丽, 梁刚涛 2009 热科学与技术 12 20]
[9]	Zeng X H, Yang F, Qi L H, Luo J 2007 J. Northwestern Polytech. Univ. 25 528 (in Chinese) [曾祥辉, 杨方, 齐乐华, 罗俊 2007 西北工业大学学报 25 528]
[10]	Lunkad S F, Buwa V V, Nigam K D P 2007 Chem. Eng. Sci. 62 7214
[11]	Liang G T, Guo Y L, Shen S Q 2013 Acta Phys. Sin. 62 024705 (in Chinese) [梁刚涛, 郭亚丽, 沈胜强 2013 物理学报 62 024705]
[12]	Ma L Q, Liu M B, Chang J Z, Su T X, Liu H T 2012 Acta Phys. Sin. 61 244701 (in Chinese) [马理强, 刘谋斌, 常建忠, 苏铁熊, 刘汉涛 2012 物理学报 61 244701]
[13]	Sun Z H, Han R J 2008 Chin. Phys. B 17 3185
[14]	Su T X, Ma L Q, Liu M B, Chang J Z 2013 Acta Phys. Sin. 62 064702 (in Chinese) [苏铁熊, 马理强, 刘谋斌, 常建忠 2013 物理学报 62 064702]
[15]	Gu Y, Li D 1998 Colloid Surf. A 142 243
[16]	Gu Y, Li D 2000 Colloid Surf. A 163 239
[17]	Mao T, Kuhn D C S, Tran H 1997 AIChE J. 43 2169
[18]	Bennett T, Poulikakos D 1993 J. Mater. Sci. 28 963
[19]	Attane P, Girard F, Morin V 2007 Phys. Fluids 19 012101
[20]	Taylor G I 1993 The Scientific Papers of G.I. Taylor 3 (Cambridge: University Press)
[21]	Taylor G I 1932 Proc. R. Soc. A 138 41
[22]	Gao S Q 2010 Capillary Mechanics (Beijing: Higher Education Press) pp30-87 (in Chinese) [高士桥 2010 毛细力学 (北京:科学出版社) 第30–87页]

施引文献

[1]	Ma L Q, Chang J Z, Liu H T, Liu M B 2012 Acta Phys. Sin. 61 054701 (in Chinese) [马理强, 常建忠, 刘汉涛, 刘谋斌 2012 物理学报 61 054701]
[2]	Shen S Q, Cui Y Y, Guo Y L 2009 J. Therm. Sci. Technol. 8 194 (in Chinese) [沈胜强, 崔艳艳, 郭亚丽 2009 热科学与技术 8 194]
[3]	Šikalo Š, Tropea C, Ganić E N 2005 Exp. Therm. Fluid Sci. 29 795
[4]	Šikalo Š, Ganić E N 2006 Exp. Therm. Fluid Sci. 31 97
[5]	Gunjal P R, Ranade V V, Chaudhari R V 2005 Aiche J. 51 59
[6]	Bi F F, Guo Y L, Shen S Q, Chen J X, Li Y Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 184702 (in Chinese) [毕菲菲, 郭亚丽, 沈胜强, 陈觉先, 李熠桥 2012 物理学报 61 184702]
[7]	Liang G T, Shen S Q, Guo Y L, Chen J X, Yu H, Li Y Q 2013 Acta Phys. Sin. 62 084707 (in Chinese) [梁刚涛, 沈胜强, 郭亚丽, 陈觉先, 于欢, 李熠桥 2013 物理学报 62 084707]
[8]	Shen S Q, Yu H, Guo Y L, Liang G T 2009 J. Therm. Sci. Technol. 12 20 (in Chinese) [沈胜强, 于欢, 郭亚丽, 梁刚涛 2009 热科学与技术 12 20]
[9]	Zeng X H, Yang F, Qi L H, Luo J 2007 J. Northwestern Polytech. Univ. 25 528 (in Chinese) [曾祥辉, 杨方, 齐乐华, 罗俊 2007 西北工业大学学报 25 528]
[10]	Lunkad S F, Buwa V V, Nigam K D P 2007 Chem. Eng. Sci. 62 7214
[11]	Liang G T, Guo Y L, Shen S Q 2013 Acta Phys. Sin. 62 024705 (in Chinese) [梁刚涛, 郭亚丽, 沈胜强 2013 物理学报 62 024705]
[12]	Ma L Q, Liu M B, Chang J Z, Su T X, Liu H T 2012 Acta Phys. Sin. 61 244701 (in Chinese) [马理强, 刘谋斌, 常建忠, 苏铁熊, 刘汉涛 2012 物理学报 61 244701]
[13]	Sun Z H, Han R J 2008 Chin. Phys. B 17 3185
[14]	Su T X, Ma L Q, Liu M B, Chang J Z 2013 Acta Phys. Sin. 62 064702 (in Chinese) [苏铁熊, 马理强, 刘谋斌, 常建忠 2013 物理学报 62 064702]
[15]	Gu Y, Li D 1998 Colloid Surf. A 142 243
[16]	Gu Y, Li D 2000 Colloid Surf. A 163 239
[17]	Mao T, Kuhn D C S, Tran H 1997 AIChE J. 43 2169
[18]	Bennett T, Poulikakos D 1993 J. Mater. Sci. 28 963
[19]	Attane P, Girard F, Morin V 2007 Phys. Fluids 19 012101
[20]	Taylor G I 1993 The Scientific Papers of G.I. Taylor 3 (Cambridge: University Press)
[21]	Taylor G I 1932 Proc. R. Soc. A 138 41
[22]	Gao S Q 2010 Capillary Mechanics (Beijing: Higher Education Press) pp30-87 (in Chinese) [高士桥 2010 毛细力学 (北京:科学出版社) 第30–87页]

[1]	张超, 布龙祥, 张智超, 樊朝霞, 凡凤仙. 丁二酸-水纳米气溶胶液滴表面张力的分子动力学研究. 物理学报, 2023, 72(11): 114701. doi: 10.7498/aps.72.20222371
[2]	赵豪, 吴志豪, 胡晓红, 凡凤仙, 苏明旭. 外加液滴条件下固体细颗粒声凝并特性. 物理学报, 2023, 72(6): 064702. doi: 10.7498/aps.72.20221912
[3]	叶欣, 单彦广. 疏水表面振动液滴模态演化与流场结构的数值模拟. 物理学报, 2021, 70(14): 144701. doi: 10.7498/aps.70.20210161
[4]	杨温渊, 董烨, 孙会芳, 董志伟. 磁绝缘线振荡器中模式竞争的物理分析和数值模拟. 物理学报, 2020, 69(19): 198401. doi: 10.7498/aps.69.20200383
[5]	左娟莉, 杨泓, 魏炳乾, 侯精明, 张凯. 气力提升系统气液两相流数值模拟分析. 物理学报, 2020, 69(6): 064705. doi: 10.7498/aps.69.20191755
[6]	方龙, 陈国定. 冷液滴/热液池碰撞混合及温度特性. 物理学报, 2019, 68(23): 234702. doi: 10.7498/aps.68.20190809
[7]	周剑宏, 童宝宏, 王伟, 苏家磊. 油滴撞击油膜层内气泡的变形与破裂过程的数值模拟. 物理学报, 2018, 67(11): 114701. doi: 10.7498/aps.67.20180133
[8]	乔晓粉, 李晓莉, 刘赫男, 石薇, 刘雪璐, 吴江滨, 谭平恒. 悬浮二维晶体材料反射光谱和光致发光光谱的周期性振荡现象. 物理学报, 2016, 65(13): 136801. doi: 10.7498/aps.65.136801
[9]	马理强, 苏铁熊, 刘汉涛, 孟青. 微液滴振荡过程的光滑粒子动力学方法数值模拟. 物理学报, 2015, 64(13): 134702. doi: 10.7498/aps.64.134702
[10]	曾果, 李兴源, 刘天琪, 赵睿. 同时抑制低频振荡和次同步振荡的多通道广域自适应阻尼控制. 物理学报, 2014, 63(22): 228801. doi: 10.7498/aps.63.228801
[11]	宋其晖, 石万元. 横向静磁场对电磁悬浮液滴稳定性的影响. 物理学报, 2014, 63(24): 248504. doi: 10.7498/aps.63.248504
[12]	刘邱祖, 寇子明, 韩振南, 高贵军. 基于格子Boltzmann方法的液滴沿固壁铺展动态过程模拟. 物理学报, 2013, 62(23): 234701. doi: 10.7498/aps.62.234701
[13]	强洪夫, 石超, 陈福振, 韩亚伟. 基于大密度差多相流SPH方法的二维液滴碰撞数值模拟. 物理学报, 2013, 62(21): 214701. doi: 10.7498/aps.62.214701
[14]	马理强, 刘谋斌, 常建忠, 苏铁熊, 刘汉涛. 液滴冲击液膜问题的光滑粒子动力学模拟. 物理学报, 2012, 61(24): 244701. doi: 10.7498/aps.61.244701
[15]	马理强, 常建忠, 刘汉涛, 刘谋斌. 液滴溅落问题的光滑粒子动力学模拟. 物理学报, 2012, 61(5): 054701. doi: 10.7498/aps.61.054701
[16]	王金平, 许建平, 徐杨军. 恒定导通时间控制buck变换器多开关周期振荡现象分析. 物理学报, 2011, 60(5): 058401. doi: 10.7498/aps.60.058401
[17]	杨先清, 刘甫, 贾燕, 邓敏, 郭海萍, 唐刚. 垂直振动颗粒混合气体的振荡现象研究. 物理学报, 2010, 59(2): 1116-1122. doi: 10.7498/aps.59.1116
[18]	杨军, 武文远, 龚艳春. 磁性隧道结中的量子相干输运研究. 物理学报, 2008, 57(1): 448-452. doi: 10.7498/aps.57.448
[19]	谢芳, 朱亚波, 张兆慧, 张林. 碳纳米管振荡的分子动力学模拟. 物理学报, 2008, 57(9): 5833-5837. doi: 10.7498/aps.57.5833
[20]	张旭, 沈柯. 环形腔中激光振荡输出的横向斑图及向光学湍流的转变. 物理学报, 2001, 50(11): 2116-2120. doi: 10.7498/aps.50.2116

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