液滴撞击柔性材料表面铺展特性的实验研究

采用高速摄影与计算机图像识别技术,研究了单个液滴撞击不同厚度、不同弹性模量的聚二甲基硅氧烷（PDMS）样品表面后的动态铺展过程,获得了液滴与柔性材料表面的移动接触线直径随时间的变化规律。实验结果表明:柔性材料在撞击过程中受压变形所导致的固体材料粘性能量耗散与系统的总能量相比很小,不会对液滴的铺展过程产生明显影响;在较低的撞击速度下,柔性材料表面形成的润湿脊所导致的粘弹性能量耗散是系统能量耗散的重要因素,且随着柔性材料弹性模量的减小而增大,因此液滴撞击弹性模量较小的PDMS表面时的最大铺展系数相对较小;当撞击速度增大后,粘弹性能量耗散在总能量耗散中所占的比例降低,液滴铺展过程中的液体粘性能量耗散所占比例逐渐升高,柔性材料弹性模量对液滴铺展行为的影响逐渐降低。     

油滴与铝合金壁面的碰撞试验

机械零部件喷油或滴油润滑方式下油滴与零件表面碰撞后形成的沉积油膜流动特性决定着零件表面润滑油膜的分布特征和零件的润滑状态,对于这一润滑现象的深入理解需要对油滴与金属固体壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展行为进行研究。建立了油滴与铝合金壁面碰撞的试验装置,采用高速相机拍摄了油滴与铝合金壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展与形貌演化过程,分析了碰撞油滴的变形及沉积油膜的铺展与回缩历程,探讨了碰撞条件和润滑油黏度对沉积油膜流动铺展特性的影响。结果表明:与铝合金壁面碰撞后形成的沉积油膜铺展较快而回缩较为缓慢,没有明显的整体回缩现象和振荡过程。较小碰撞角度下,铺展初期油滴与壁面之间存在轻微滑移现象,受重力和铺展能量的作用,铺展后期油膜发生断裂并溅射离开壁面,但没有二次油滴生成。前铺展因子随着碰撞角度的减小和碰撞速度的增加而增大,后铺展因子则随着两者的增大而增大。油滴直径对前、后铺展因子的影响不太明显。      

浓墨山水两相依——怀念著名画家乔加强

<正>铺展开大气磅礴,山势雄浑的《张家界风光》画卷,在如此灵气的山水墨宝中一位虬髯洒脱的慈善老者的音容笑貌仿佛也跃然纸上。这高2米,宽5米的巨幅国画《张家界风光》既是这位老者倾注心力创作的最后一幅作品,也是作为张家界国家森林公园建园30周年暨张家界国际森林保护节庆典献礼作品。     

液滴高速撞击低温壁面的动态特性及破碎机理研究

为研究液滴撞击低温壁面的动态行为,运用高速阴影法对韦伯数（We）在533～1630之间的单液滴撞击常温壁面（22 ℃）与低温壁面（?30～?10 ℃）进行可视化试验。试验结果表明:液滴以一定速度撞击低温壁面时,会发生即时破碎和冠状破碎,二次液滴飞溅明显;但液滴以相同速度撞击常温壁面时,未出现液滴破碎现象。随着壁面温度的降低,液滴撞壁破碎所需韦伯数减小。在壁面温度为?30 ℃时,液滴撞击铝合金板的破碎临界韦伯数降低至480左右;当We < 480时,即使壁面温度低于?30 ℃,液滴也不会发生撞壁破碎。当液滴撞击常温壁面时,液滴快速铺展,并且韦伯数越大,液滴铺展和回缩的速度越大,液滴的铺展因子越大。该研究可为液滴撞击低温壁面撞壁模型的建立提供参考。     

微重力条件下水滴撞击高温壁面数值模拟研究

火灾研究一直是航天器工程不可忽略的重要命题。细水雾被看作是载人航天器中有效的替代灭火剂,因此研究微重力条件下细水雾的特性是很有必要的。采用VOF方法对微重力条件下水滴碰撞高温壁面后的动力学进行了研究;分析了液滴碰撞高温壁面后运动形态和温度场的变化情况,水滴对高温壁面的冷却具有很好的效果。研究了水滴初始直径和速度对水滴铺展的影响,在一定范围内减小水滴粒径,冷却壁面的效果会增强;水滴速度大小不同时。水滴冷却壁面的方式不同。微重力条件下水滴有很好的冷却作用,为载人航天器中细水雾的使用提供了参考。     

织构化表面对异质金属润湿性及界面反应的影响

不锈钢与铝合金广泛应用于火箭贮箱中隧道管与补偿器的焊接,熔钎焊已成为其主要连接方式,但接头存在低应力开裂,容易引起燃料泄漏等问题。为提高接头可靠性,首先采用超快激光加工技术在不锈钢表面烧蚀制备了微槽和微坑两种典型的织构化表面。然后,通过铝合金在不锈钢表面的原位润湿铺展试验研究了两种微织构对润湿铺展方向、接触角和界面反应产物的影响。试验结果表明铝合金具有沿微槽加工方向润湿铺展的趋势,而微坑的铺展则接近圆形;在微槽表面表现出更小的接触角,同时基于Wenzel方程对在两种表面润湿铺展的接触角进行数值计算,计算结果略大于实际结果。最后,分析了界面冶金反应对润湿铺展的影响。结果表明界面反应对铝合金的润湿铺展具有一定的促进作用,但过于粗大的界面反应产物则会阻碍润湿铺展。该激光织构化的方法不仅可用于不锈钢与铝合金体系,还可用于航空航天领域中其他金属与金属、金属与非金属之间的连接。     

柱坐标系下准三维液滴撞击壁面的数值分析

液滴撞击壁面现象广泛存在于自然界与工程领域。为研究其运动特性,本文基于柱坐标系与VOF模型,对准三维液滴撞击固体壁面过程进行模拟。该方法实现了三维到二维的合理简化,模拟与实验结果较为吻合,铺展系数约为2.1。在此基础上,本文对单液滴撞击固体壁面过程进行了多工况模拟,模拟表明液滴在速度和直径较大情况下铺展系数较大。相反,在表面张力系数和接触角较大情况下铺展系数较小。最后,对双液滴相继撞击壁面的过程进行了模拟,发现液滴在铺展过程中出现了二次铺展现象,并探究了速度和液滴中心间距对铺展特性的影响。结果表明,双液滴在速度和液滴间距较大的情况下铺展系数较大。     

钎料合金/陶瓷体系润湿行为研究进展

钎料合金/陶瓷体系润湿行为研究对陶瓷的钎焊连接具有重要指导意义。目前主要在真空系统中开展润湿性试验，除了常规的座滴法，改良座滴法、滴落法以及液桥过渡法逐渐被采用以便获得更加准确的试验数据。钎料合金在陶瓷表面的润湿过程涉及溶解、扩散、界面吸附和反应等，是一种非常复杂的物理化学现象。根据驱动润湿的本质因素，可将润湿机制分为：溶解驱动润湿、吸附驱动润湿和界面反应驱动润湿。然而由于界面行为的复杂性，往往很难进行严格的划分。根据钎料合金/陶瓷界面行为特点，分别建立了反应控制润湿模型和扩散控制模型来研究体系的铺展动力学。对钎料进行合金化处理和陶瓷表面改性是改善润湿性的常用方法，本文主要从润湿性的表征和测量、润湿机制、铺展动力学模型和改善润湿性措施等方面，综述了钎料合金/陶瓷体系润湿行为研究的进展。     

振动对液滴撞击壁面铺展特性的影响

在航空航天领域的喷雾冷却过程中，被冷却器件时常处于振动状态，因此确定振动对喷雾冷却液滴撞击壁面动态行为的影响有重要意义。基于VOF方法和动网格模型建立了液滴撞击垂直简谐振动壁面的数值模型，研究了壁面振幅、频率和初始相位角对铺展特性的影响。结果表明，相同撞击条件下，壁面振动不仅影响着最大铺展因子和铺展时间的大小，还会使液膜发生断裂抑制和飞溅行为；初始相位角为0°时，铺展时间随振幅和频率的增加而减小；最大铺展因子随振幅的增加一直增加，振幅较小时，最大铺展因子随频率的增加先增加后减小，在共振频率处取得最大值且减小程度随振幅的增大逐渐降低，振幅较大时，最大铺展因子随频率的增加变为一直增加；铺展时间和最大铺展因子随初始相位角的变化趋势主要与频率有关，频率较小时，初始相位角对铺展时间和最大铺展因子无明显影响，随着频率的增加，铺展时间先后在180°和90°相位最大，最大铺展因子先后在0°和180°相位最大。     

倾斜射流撞壁铺展的数值仿真

为了加深对射流撞壁铺展形成液膜的认识，开展倾斜射流撞壁数值仿真研究。采用网格自适应加密技术对射流撞壁后的液膜铺展过程开展两相数值仿真研究，获得并分析了典型工况下液膜铺展的过程、流场结构以及射流撞壁区局部流动特征。从数值仿真结果中能清晰地分辨出液膜的关键特征，与试验结果的对比也表明了数值仿真方法的可行性与准确性。通过数值仿真发现，射流撞壁后，流动以滞止点为中心，呈辐射状向四周铺展，汇入液膜边缘处水跃区后流动方向偏转，并继续向下游流动，这是射流撞壁铺展形成液膜的基本过程；液膜的惯性力驱动着液膜呈辐射状向外铺展，而在液膜边缘位置处的表面张力和壁面接触角的影响下，液膜边缘形成高压区推动液膜收缩，液膜惯性力在壁面的剪切作用下逐渐减小，直至减小到与液膜边缘处表面张力等其他作用力相平衡，从而确定液膜的边界；数值仿真结果也验证了撞壁区流动的滞止点处于射流与壁面的椭圆形接触面的一个焦点附近。