不可混溶液滴正碰动力学过程的数值模拟研究

不可混溶液滴正碰动力学过程的数值模拟研究

【摘要】： 液滴碰撞现象广泛存在于自然界和工业应用之中。虽然前人已经对液滴碰撞问题做了大量研究,但前人主要局限于相同组分液滴的碰撞,缺少对不可混溶液滴碰撞的定量研究。因此本文采用自适应网格的三相扩散界面方法进行数值模拟,着重研究了两个相同大小不可混溶液滴正碰后的对称演化与非对称演化。主要内容可以分为以下三个部分:(1)发展了基于自适应网格加密技术和并行计算技术的三相扩散界面方法。我们利用开源软件包PARAMESH实现了基于网格块的自适应网格方法和基于MPI通讯协议的并行计算功能。通过气泡上升算例验证了程序的收敛性,通过与复合液滴铺展及管道中三相流动这两个问题的解析解进行对比验证了程序的准确性,最后通过使用不同加密等级和不同计算核心数模拟了液滴撞击液池的问题,给出了并行化后程序的总体性能。(2)对不可混溶液滴正碰的对称演化进行了数值模拟研究。我们改变液滴的韦伯数We以及两个液滴间液-液界面表面张力系数与液滴和环境气体间气-液界面表面张力系数之比λσ1,探究了液滴惯性和界面在液滴相互作用中所起到的影响。基于对碰撞液滴的相态学观察以及能量转化的分析,提出了等效表面张力系数σ*,利用等效表面张力系数σ*,理论预测了碰撞液滴的液膜厚度,最大伸展时间和最大伸展直径,揭示了液滴惯性和界面所起的作用,理论预测与数值模拟结果符合得较好。对于不可混溶液滴正碰的对称演化,我们数值模拟发现了液滴粘附模态和液滴分离模态,针对这两种模态,利用等效表面张力系数σ*和前人的能量理论,给出了不同模态之间转化的临界条件,理论与数值模拟结果相符合。(3)对不可混溶液滴正碰的非对称演化进行了数值模拟研究。通过改变液滴的韦伯数We以及两个液滴与环境气体间气-液界面的表面张力系数比λσ2,发现了六种模态:即穿透模态、包裹模态、粘附模态、回弹模态、夹断模态和反射分离模态。在液滴碰撞后伸展过程,发现了液滴的最大伸展直径随着表面张力系数比λσ2的增长出现非单调的变化,通过两个液滴在达到最大伸展时的液滴形态和相对位置,解释了最大伸展直径非单调变化出现的原因。利用所提出的等效表面张力系数σ*,理论预测了两个液滴最大伸展直径之比,理论预测与数值模拟结果符合得较好。对于液滴的最大伸展时间和最大伸展直径,我们发现无论液滴是否包裹另一相液滴,两者之间存在尺度率关系。最后还发现了液滴达到最大伸展时两个液滴的接触面积与表面张力系数比λσ2存在的线性关系。

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2020

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