【摘 要】
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液滴撞击作为典型的界面交互作用,既能够促进燃烧室内部燃烧和减小排放,也会腐蚀损害建筑外墙表面。因此,对液滴撞击过程进行有效调控具有重要意义。超疏水性作为典型的界面特性,常用于评价固液交互作用,被认为是实现界面流动控制的主要技术手段。此外,流动形态的变化将对超疏水表面的防结冰等优良性能产生影响。由此形成了涵盖两者的界面物理力学。但现有研究普遍集中于结合时间尺度和形态参数进行简单的弹跳特性分析,缺乏对
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液滴撞击作为典型的界面交互作用,既能够促进燃烧室内部燃烧和减小排放,也会腐蚀损害建筑外墙表面。因此,对液滴撞击过程进行有效调控具有重要意义。超疏水性作为典型的界面特性,常用于评价固液交互作用,被认为是实现界面流动控制的主要技术手段。此外,流动形态的变化将对超疏水表面的防结冰等优良性能产生影响。由此形成了涵盖两者的界面物理力学。但现有研究普遍集中于结合时间尺度和形态参数进行简单的弹跳特性分析,缺乏对相关过程中力学特性和能量损耗的深入研究。为此,本文基于CFD(Computational Fluid Dynamics)数值计算方法,从宏观尺度上阐述了两者间的相互作用机制。一方面,基于量化指标评定超疏水表面防结冰性能,并从界面流动形态角度解析防结冰机理,以构建两者间的映射关系。另一方面,选取微观结构形态、润湿性分布规律以及外加速度场等多场景进行研究,从机理解析角度总结归纳超疏水表面界面力学的典型行为,进而实现界面流动形态的有效控制。具体的研究工作和结论如下:(1)界面流动形态对防结冰性能的作用机理分析耦合CLSVOF模型和凝固-融化模型,模拟静态结冰过程和动态撞击过程。结果表明,静态结冰时间延长至220.28%,而动态放热量减小至37.687%,这表明超疏水表面具有防结冰性能。随后,以静态液滴的竖直高度和固液接触直径解析静态防结冰机理,并通过运动液滴铺展直径,中空区域以及接触时间解析动态防结冰机理。(2)微结构表面液滴力学典型行为及流动控制选取微观结构形态(样件A:凸包;样件B:条纹)和撞击速度为自变量,基于CLSVOF模型模拟液滴撞击过程。因撞击速度不同存在四种反弹类型并出现雄鹰振翅式液滴撞击动力学等多种典型力学行为。最后,选取最大铺展直径、最大回缩速度以及接触时间等特征参数,探讨微观结构同撞击速度间的耦合作用机制。结果表明,较低的撞击速度会弱化微观结构的影响。(3)混合润湿表面液滴力学典型行为研究及流动控制基于翠鸟头部的液滴定向迁移特性,设计一种混合润湿性表面,实现液滴回弹方向的调控。记录了铺展、旋转、抛物线运动以及水平移动的四阶段运动过程,以及定轴旋转运动和具有水平拉力的动轴旋转运动两种旋转运动模式。以离心力和液桥面积为切入点,提出非超疏水侧接触角、润湿性排布模式以及撞击速度三种调控抛掷液滴形成的方法。此外,从梯度润湿性以及非完全对称收缩力推导水平驱动力的计算公式,并基于动量定理进行准确性分析,误差为6.488%。(4)振动表面力学典型行为研究及流动控制受蝴蝶翅膀无支撑下的快速脱附特性的启发,以正弦运动刚性表面为例,探究振动表面上液滴撞击过程。选取最大铺展直径等形态参数和能量耗损值,分析振动参数和撞击参数对形态演化和能量损耗的影响。结果表明,初始相位角是主要作用因素,且其作用机制受振动频率影响而同振动幅值无关,撞击参数作用机制基本上都是单调的。并补充分析表面运动方向作用机制以及中心射流现象形成机制。结果表明,液滴同表面间相向运动会促进液滴的铺展和收缩,而中心射流现象的强度取决于内凹形态下表面的运动速度。
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