黏弹性液滴撞击壁面的动力学特性研究

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液滴撞击现象在自然界以及工业中都有着广泛的应用价值,如喷墨打印、农药喷洒、燃油喷射等均与液滴碰撞息息相关。其中黏弹性液滴由于其剪切稀化等独特的流体性质更是给生产生活带来了更多的机遇和创新,但迄今相关研究甚少,为此,本文拟采用数值模拟及实验研究两种方法对液滴撞击壁面的动力学行为进行系统研究。采用水平集(Level Set)与流体体积(VOF)的耦合方法(CLSVOF法)对液滴撞击壁面进行模拟研究,考察了液滴类型、PAM浓度、表面活性剂浓度、液滴初始速度和大小对液滴铺展宽度和反弹高度的影响。结果显示,液滴碰撞后会经历铺展、收缩、反弹、稳定振荡四个阶段。在铺展阶段,聚丙烯酰胺(PAM)液滴的铺展宽度较水滴小,且随着表面活性剂浓度、液滴初始速度及大小的增大而增大,但随着PAM浓度的增大而减小。在收缩和反弹阶段,PAM液滴的反弹高度较水滴小,且随着PAM浓度、液滴初始速度及大小的增大而增大,而随着表面活性剂浓度增大而减小。在稳定振荡阶段,PAM液滴的振荡周期比水滴短;PAM浓度的增加对液滴的振荡周期没有明显的影响;而表面活性剂浓度、液滴初始速度及大小的增加均会延长液滴的振荡周期,且当初始速度足够大时,液滴还会发生收缩破裂现象。采用实验手段,分别考察了液滴类型、PAM浓度、表面活性剂浓度、下落高度、壁面润湿度对液滴撞击的影响。结果表明在相同的条件下PAM液滴的铺展宽度和反弹高度都比水滴小,这与模拟的计算结果相一致。PAM液滴的铺展宽度随着表面活性剂浓度及下落高度的增加而增加,但随着PAM浓度及壁面润湿度的增加而减小;液滴的反弹高度随着PAM浓度、壁面润湿度及下落高度的增加而增加,却随表面活性剂浓度的增加而减小。
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