微通道中液滴和粒子的运动特性研究

微流控技术的快速发展反映了新型检测器件对微型化和集成化的要求，以及当前科学研究和工程应用逐步向多学科交叉领域过渡的趋势。其中，液滴和粒子是微流控技术中两种重要的操控对象。液滴和粒子的微尺度流动通常处于层流范围，然而尺度效应和界面效应将非线性因素引入流动，且受到通道结构、流动条件等多个控制参数的耦合影响，使得微尺度系统表现出多种复杂的流动现象。因此，从流体动力学的机理研究出发揭示微尺度流动的物理机制至关重要。本文综述了课题组近年来关于微通道中液滴和粒子运动的研究，分析了液滴/粒子特征参数的变化规律，界定了不同流动模式的分布状况及临界条件，明确了主导流动的关键参数并建立了相应的受力模型，以期探寻不同行为的操控方法。本文工作可为微尺度下复杂流动理论体系的完善及相关工程应用提供参考。     

液滴撞击液面形成的液坑形态特征及其重力势能分析

用高速相机拍摄了不同直径的液滴（纯净水）以不同速度撞击不同深度液池的过程,对液坑的形态特征和规律进行了分析。液池较深时,当液坑体积达到最大时,其形状基本为半球形;液池较浅时,受池底限制,液坑不能充分发展,体积达到最大时,形状呈被横切掉底部的半球形。液池较深时,生成的液柱较粗且低,分离出的次生液滴较少;液池较浅时,液柱较高且细,分离出的次生液滴较多。无量纲液坑最大水平长度和无量纲最大深度均随韦伯数增大而增大,液滴直径越大,无量纲液坑最大水平长度和最大深度越小;液池较深时,无量纲液坑最大水平长度和最大深度随液池深度减小而增大,然而,当液池浅至一定程度时,无量纲液坑最大水平长度和最大深度却明显减小。对已有的液坑重力势能模型进行了扩展,并据此分析了液坑重力势能的变化规律,研究发现:液坑的重力势能随液滴初始动能增大而增大;液池较深时,液坑重力势能随液池深度减小而增大;液池较浅时,液坑重力势能与液滴初始动能的比值更低。     

空间辐射散热器含液滴介质的辐射特性和辐射传热

本文从米氏电磁散射理论出发，计算了含液滴介质的辐射特性。考察了中向同性散射能量传递份额的再分配，导出了吸收、发射、各几同性散射介质的辐射传递系数。计算了空间辐射散热器液滴层瞬态辐射换热，经与文献［４，５］的比较表明，本文所导出的辐射传递系数计算方法正确，精度高。用计算机辅助实验，分析液滴发生器产生粒子的大小、粒径分布对瞬态辐射换热的影响，可减少空间辐射散热器设计过程中的实验次数。     

气泡和液滴在上升或下降时大变形的数值模拟

本文在考虑界面张力的条件下用涡片方法导出了二维无粘气泡和液滴在另一种静止无粘流体中上升或下降时运动和变形的支配方程，提出了求解支配方程的数值方法，并在数值模拟的例子中研究了空气泡和煤油滴在水中上升时及水滴在煤油中下降时的变形规律，研究了数值模拟中界面张力对界面形状的影响，气泡上升的数值模拟结果与相应的试验结果基本一致。数值模拟结果表明本方法可正确模拟饣泡和液滴在上升或下降过程中的大变形，直到界面发     

基于光滑粒子流体动力学方法的液滴蒸发问题数值模拟研究

基于光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH），开展了SPH新算法在蒸发燃烧领域的研究。建立了适用于SPH方法的蒸发数值模型，推导了基于傅立叶热传导公式和菲克扩散定律的SPH离散方程；借鉴VOF方法（Volume of Fluid）的思想，提出了SPH粒子的液相质量分数的概念，以有效表征蒸发过程中的相变问题。采用SPH方法对高温环境中单个液滴的蒸发过程进行数值模拟，结果符合D2定律，与理论模型相一致；在强迫对流环境中，液滴的蒸发过程受到对流作用及表面张力的影响，蒸发速率加快；进一步对双液滴在静止、对流环境中的蒸发过程进行数值模拟研究。结果表明，液滴的间距、滴径对多个液滴的蒸发过程影响至关重要，液滴间距至少在两倍的液滴直径以上，相互之间的影响才可以近似忽略。通过本文研究，拓宽了SPH方法在蒸发相变领域的应用范围，研究结果也能够为进一步的燃烧问题研究奠定基础。     

高压不稳定环境中的燃料液滴蒸发

对燃料液滴在高压不稳定环境中的蒸发进行了研究，着重讨论了气相介质压力振荡对液滴蒸发特性的影响，计算了Ｃ１２Ｈ２６液滴在Ｎ２介质中蒸发时的蒸发速率、滴温和无因次滴径随时间的变化。结果表明：（１）蒸发速率、滴温发生相同频率的振荡，相位滞后分别为π和π／２；（２）压力振荡使蒸发速率平均值增大，液滴生存时间减少；（３）在不定常加热阶段压力振荡影响很小。     

单液滴破碎空间尺寸分布特性的实验研究

为了研究液滴破碎后颗粒云空间尺寸分布的机理特性,通过试验方法并建立相应的均匀性指标数学模型,分析了不同We数对液滴破碎后颗粒群空间分布均匀性的影响。结果表明:(1)液滴袋状破碎后颗粒分布类似于袋形的蜂窝结构,并以类似爆破的形式向后方外围扩散分离。(2)多模式破碎后颗粒群为类似于"树"形结构的颗粒分布,前端有分布密集、粒径较小的聚集团,后方分布着大范围的颗粒群。(3)剪切破碎后颗粒群为类似"桶"形的颗粒分布,外围分布着大量颗粒,而内部分布较为复杂。(4)在We数为10~70时,颗粒群的离散率在整体上是呈现先升高后下降再升高的趋势。当We数为30和60时,两个方向上的离散率存在较大差异,而三种不同的破碎模式中,剪切破碎均匀性表现最好。     

超声速混合层液滴两相流动的大涡模拟

为研究超声速气流中液滴与气流的混合及液滴蒸发对混合的影响,采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了超声速混合层内液滴两相流流场结构,气相流场采用亚格子(SGS)模型和切应力输运(k-ωSST)湍流模型,液相模拟采用轨道模型和单液滴蒸发模型。在混合层前缘入口处均匀持续地投放液滴,并在液滴入口处下方添加非周期小扰动,并观察液滴蒸发过程对该小扰动造成的影响。分析了入口小扰动在流场中不同的发展情况,发现液滴的蒸发过程使混合层厚度增加并加速混合层的发展,对气相流场扰动较强,可能导致流动失稳,对混合过程有很大的促进作用。     

剪切气流驱动液滴运动的受力分析

实验研究了剪切流驱动的液滴在固体表面上起始运动的受力机理。工作中使用一系列液体和固体表面来获得不同的液滴接触角,并在小型风洞中进行实验。实验中对液滴的启动气流速度进行了测量,并综合各种起始时刻的参数信息,建立了一个关于液滴接触线表面张力和剪切气流拖拽力平衡的数学模型,揭示了液滴脱落时刻的受力情况。所建立的模型更适合液滴1变形情况,但对于其它类似情况的剪切气流驱动液滴运动也能够进行合理的描述。     

珠状凝结是一种典型的分形生长

本文根据近三十年来在珠状凝结换热研究中积累的实验研究资料,提出珠状凝结是一种典型的分形生长过程。由随机分形模型建立了珠状凝结液滴的尺度分布,应用重整化方法确定了液滴尺度的分布指数。