液滴撞击等温固体平壁的数值模拟研究.pdf
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中国工程热物理学会 传热传质学
学术会议论文 编号:083354
液滴撞击等温固体平壁的数值模拟
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李燕 ,沈胜强
(大连理工大学 海洋能源利用与节能教育部重点实验室,大连 116024)
(Tel: 0411 Email:liyan618@)
摘要:采用基于VOF方法的计算流体力学(CFD)模型,在考虑表面张力及壁面粘附(接触角)的情况下,
数值模拟液滴撞击平壁后的变形及反弹过程,并分析了各因素对液滴变形的影响。与实验数据对比,
模拟结果与实验吻合较好,可见以VOF(流体体积分数)为基础的数值模拟方法能够得到液滴与固体壁
面相互作用的关键特征及细节。
关键词:液滴;数值模拟;撞击速度;接触角
0 前言
液滴与固体平面的碰撞以及液滴在固体表面的沉积、铺展等现象广泛的出现在热喷
涂、喷雾冷却、DNA 基因芯片制备、光电子元件制备等行业。对液滴撞击水平壁面形变
过程的研究,多采用高速数码相机拍照的实验方法,数值模拟虽然出现较晚,但随着计
算机技术的发展而长足进步。数值模拟方法可以代替实验室的一些昂贵、费时的实验,
对于不能通过直接计算、观察获得的比较具体完整的信息,数值手段比传统的实验或者
理论分析方法更加实用,因此本文采用计算流体力学(CFD)方法,数值模拟液滴与固体
平面的等温碰撞过程。
1液滴变形过程分析
液滴以固定速度撞击固体表面并在表面上沉积、铺展的过程可以根据液滴的扩散半
径变化情况分为铺展阶段和回缩阶段,在铺展阶段液滴的扩散半径逐渐增大,直到达到
最大值;在回缩阶段,扩散半径开始变小,从外观上表现为液滴出现收缩现象。在这一
过程中涉及到几种能量的转化:液滴在初始时刻具备一定的动能,当液滴与固体表面产
生碰撞之后由于液滴的表面积扩大以及需要克服液体的粘性,因此液滴初始时刻的动能
转化为表面能,当扩散半径达到最大时液滴的表面能达到最大,此后液滴在表面张力的
作用下开始回缩,表面能逐渐转化为动能,在经过一段时间之后液滴铺展趋于稳定,但
是这种稳定是动态的,其中包含着动能和表面能的相互转化。
2数值计算模型
液滴等温撞击模型涉及液滴和空气两种流体,二者没有发生传质,且要求对液滴自
由表面的运动进行重点考查,计算流体力学软件FLUENT多相流模型中的VOF模型是最合适
的计算模型。本文假定气相和液相为不可压缩牛顿流体,粘度和表面张力系数为常数。
液滴的运动被认为是层流流动。正确定义表面张力模型和壁面粘附作用(接触角)非常
重要,本文采用CSF模型[1]计算表面张力。
2.1 数学模型
各相的质量和动量方程为:
∇V 0 (3.1 )
∂V 1 2 1
+∇i(VV) =− [∇P−μ∇ V] + g + F (3.2)
SF
∂t ρ ρ
这里,V 表示速度向量,P 为压力,FST 为表面力向量。
混合相的物性通过下面的方程定义,混合相的密度为:
ρ ∑αρ (3.3 )
k k
k
其中α
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