幂律流体液滴形变破碎的机理研究
液滴的形变破碎普遍存在实际生产生活中，并且涉及生物医疗以及航空航天等领域的关键技术。前人对液滴破碎的研究主要针对于常见的牛顿流体，内容包括破碎模态的界定以及特征参数变化规律的总结。相比于简单流体，本构关系复杂的幂律流体在特定领域具有更好的功能特性，由于受到研究方法的限制，目前对其形变破碎的研究尚未完全展开。本文主要采用实验研究对湍动气流场中幂律非牛顿流体羧甲基纤维素（CMC）溶液液滴的形变破碎进行动力学特性研究并分析相关特征参数，再通过三维数值模拟方法揭示幂律流体液滴内在破碎机理，为涂膜保鲜、药物涂层技术革新奠定研究基础，并为非牛顿流体雾化喷嘴性能优化提供可行性思路。具体内容主要分为： 一、基于连续喷射法搭建了液滴破碎高速拍摄实验台以及气流速度与管内压力标定平台，完整捕捉水和不同质量分数CMC液滴的破碎行为。实验研究结果表明：（1）在实验工况条件下CMC液滴的破碎模态与水滴保持一致（振荡破碎、袋状破碎、袋状-雄蕊破碎、双袋破碎），且共同遵循“R-T/气动曳力组合”机制，但CMC液滴在破碎时无法形成子液滴群；（2）在双袋破碎模态下，CMC液滴径向直径Dcro/D0随时间发展会受到粘性力的显著阻碍，从而建立了包含粘性项的拟合公式；（3）CMC液滴在不同破碎模态下的最大径向形变Dmax/D0受到无量纲参数We数和Oheff数的影响不同，据此提出了幂律流体液滴最大形变的数学预测模型；（4）随着We数和Oheff数增大，CMC液滴初始破碎时间Tini在各破碎模态下的变化规律不一致；（5）CMC液滴总破碎时间大于水滴，且随We数和Oheff数的增大而增大，确立了相关预测公式；（6）根据“R-T/气动曳力组合”机制建立了临界We数预测模型，并对捕捉到的多个破碎模态进行区域划分。 二、基于计算流体力学，采用界面捕捉方法CLSVOF（CoupledLevel-SetandVolumeofFluidmethod）以及自适应网格加密技术（AMR），选取LES大涡湍流模拟对幂律流体液滴气动破碎进行三维数值模拟。数值计算结果表明：（1）基于速度场及压力场演化可深入剖析液滴破碎形态发展的内在机制；（2）根据形变参数进一步验证“R-T/气动曳力组合”机制在幂律流体液滴破碎模态划分上的适用性；（3）当液袋破碎时，液滴的动能会随We数的增大而增大，高We工况下粘性耗散对动能的影响较小；（4）液滴随位移发生形变的增长趋势逐渐减小，而We数和Oheff数的增大分别会对形变产生促进和抑制作用。
幂律流体;液滴破碎;高速图像拍摄;三维数值模拟;数值模拟
中国计量大学
硕士
控制工程
钱丽娟;袁浩旭
2021
中文
O373
2022-06-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）