液滴撞擊固體表面現(xiàn)象在很多領(lǐng)域十分常見且有重要作用。液滴撞擊固體表面的撞擊力特性是液滴撞擊固體表面過程研究的重要特性之一,其研究近年來受到很多學(xué)者關(guān)注。該文采用有限體積法和VOF（Volume of Fluid）方法,通過Fluent仿真軟件數(shù)值研究了液滴撞擊球形表面產(chǎn)生的撞擊力特性。數(shù)值計算結(jié)果表明,球面直徑對液滴撞擊其表面的撞擊力有顯著影響,在其它撞擊條件相同情況下,球面直徑越小,液滴撞擊力峰值越小,撞擊力峰值出現(xiàn)時間越早。通過分析數(shù)值計算結(jié)果,得到了無量綱撞擊力隨無量綱時間的變化曲線。數(shù)值計算結(jié)果也揭示了撞擊力達(dá)到峰值時的液滴形態(tài)特征。 

【文章來源】：水動力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯）. 2020,35(02)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

不同表面張力系數(shù)的液滴撞擊力Fig.10Impactforceofdropletswithdifferentsurfacetensioncoefficients

水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯2020年第2期224液體表面張力采用連續(xù)表面力模型（CFS）計算。根據(jù)文獻(xiàn)[20]結(jié)果，接觸角對液滴撞擊固體平面產(chǎn)生的撞擊力影響很小，因此，在本文計算中液滴在固體表面上接觸角取為定值。數(shù)值計算采用二維柱坐標(biāo)，計算區(qū)域如圖1。圖1網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1Imagesofmeshmodel邊界條件：①球面采用無滑移邊界條件；②對稱軸上，物理量的法向?qū)?shù)為零；③其他邊界均為壓力條件（計算在液滴觸及計算域下邊界前結(jié)束）。初始條件：①液滴初始直徑為0D；②液滴初始速度為0U，速度方向垂直向下；③液滴在初始時位于球面正上方，且液滴底部距離球面1.5mm。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格數(shù)為130000時，計算滿足計算精度要求。因此，計算時都采用上述網(wǎng)格數(shù)。為了驗證數(shù)值方法的可靠性，將數(shù)值結(jié)果所得撞擊力與實驗結(jié)果進(jìn)行比較。實驗采用壓電微力傳感器測量液滴撞擊力，采用高速攝影儀記錄液滴撞擊過程，通過圖像分析得到液滴直徑和撞擊速度。實驗測量了直徑3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞擊直徑20mm的球面的撞擊力。采用上述實驗結(jié)果驗證數(shù)值計算的正確性，如圖2所示，數(shù)值計算的撞擊力峰值略大于實驗測量結(jié)果，計算和實驗結(jié)果在撞擊初期和后期均較好地吻合。因此，上述數(shù)值方法可以較好地計算液滴撞擊固體表面過程以及撞擊過程產(chǎn)生的撞擊力。圖2直徑3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞擊直徑20mm的球面的撞擊力實驗與數(shù)值計算結(jié)果的比較Fig.2Comparisonbetweenexperimentalandnumericalresultsofimpactforceofdropletwithdiameterof3.6mmimpactingonsphericalsurfacewithdiameterof20mmatthevelocityof3.132m/

為0U，速度方向垂直向下；③液滴在初始時位于球面正上方，且液滴底部距離球面1.5mm。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格數(shù)為130000時，計算滿足計算精度要求。因此，計算時都采用上述網(wǎng)格數(shù)。為了驗證數(shù)值方法的可靠性，將數(shù)值結(jié)果所得撞擊力與實驗結(jié)果進(jìn)行比較。實驗采用壓電微力傳感器測量液滴撞擊力，采用高速攝影儀記錄液滴撞擊過程，通過圖像分析得到液滴直徑和撞擊速度。實驗測量了直徑3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞擊直徑20mm的球面的撞擊力。采用上述實驗結(jié)果驗證數(shù)值計算的正確性，如圖2所示，數(shù)值計算的撞擊力峰值略大于實驗測量結(jié)果，計算和實驗結(jié)果在撞擊初期和后期均較好地吻合。因此，上述數(shù)值方法可以較好地計算液滴撞擊固體表面過程以及撞擊過程產(chǎn)生的撞擊力。圖2直徑3.6mm的液滴以速度3.132m/s撞擊直徑20mm的球面的撞擊力實驗與數(shù)值計算結(jié)果的比較Fig.2Comparisonbetweenexperimentalandnumericalresultsofimpactforceofdropletwithdiameterof3.6mmimpactingonsphericalsurfacewithdiameterof20mmatthevelocityof3.132m/s2計算結(jié)果及分析為研究液滴撞擊球形表面產(chǎn)生的撞擊力特性，數(shù)值模擬了多種直徑的液滴以不同速度撞擊多種直徑的球面的撞擊過程，還研究了液滴黏性和表面張力對液滴撞擊力的影響。2.1被撞擊球形表面半徑對撞擊力的影響為研究球體半徑對液滴撞擊表面產(chǎn)生的撞擊力大小的影響，計算了液滴撞擊半徑為2.5mm、5mm和10mm的球表面的撞擊過程，計算中保持液滴大小和撞擊速度不變。圖3、圖4和圖5分別顯示了直徑為2mm、3mm和4mm的液滴以2m/s的速度撞擊半徑為2.5mm、

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]液滴與水平壁面碰撞力的數(shù)值研究[J]. 張彬,韓強(qiáng),袁小芳,李景銀.  西安交通大學(xué)學(xué)報. 2013(09)
[2]液滴撞擊固體球面行為特性的數(shù)值研究[J]. 汪焰恩,周金華,秦琰磊,李鵬林,楊明明,韓琴,王月波,魏生民.  振動與沖擊. 2012(20)



本文編號：3428189