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石油、化工等过程工业中，由于压力容器或者管道破裂而容易引发高压危险化学品泄漏形成闪蒸喷雾。掌握这类闪蒸喷雾动力学特性对事故危害的风险评估具有重要意义。本文通过开源库OpenFOAM及网格局部加密技术对异戊烷闪蒸喷雾进行了数值仿真研究。不同喷雾初始压力和过热温度下模拟喷雾形态结果、以及液滴粒径与速度分布，均与高速摄像机拍摄的喷雾图像及相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测得的粒径、速度数据吻合良好。初始喷雾压力和温度增加时，异戊烷闪蒸喷雾气化成核强化，使喷嘴出口处雾化破碎程度与径向膨胀更为剧烈，出口锥角扩大，同时成核均匀度增加，液滴SMD降低，喷雾速度增加。但是由于轴向动量减弱，液滴相贯穿长度降低。

Keyword ：

OpenFOAM 闪蒸喷雾 液滴动力学 异戊烷

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对于结构较复杂的容器内壁,若采用具有一定差异疏水性能的材料组合形成一定的纹理设计可对其表面疏水性能进行进一步强化。为研究不同的纹理对疏水性能的影响,本文采用移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-implicit,,.MPS),在三维尺度下,基于表面自由能表面张力和固-液表面张力模型,设计并模拟分析了不同条纹对平板上液滴动力学行为的影响,为进一步研究具有不同疏水性能材料的组合纹理对壁面脱附性能的影响提供依据。

Keyword ：

MPS法 表面疏水性能 表面张力 纹理设计

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对于结构较复杂的容器内壁,若采用具有一定差异疏水性能的材料组合形成一定的纹理设计可对其表面疏水性能进行进一步强化。为研究不同的纹理对疏水性能的影响,本文采用移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-implicit,,.MPS),在三维尺度下,基于表面自由能表面张力和固-液表面张力模型,设计并模拟分析了不同条纹对平板上液滴动力学行为的影响,为进一步研究具有不同疏水性能材料的组合纹理对壁面脱附性能的影响提供依据。

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MPS法 表面疏水性能 表面张力 纹理设计

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微结构对固体材料表面浸润性有重要影响。通过对表面微结构的设计优化，可以使表面材料具备所期待的超亲水或超疏水特性，在化工、生物和航天航空等领域具有重要的应用前景和实用价值。通常液滴在微结构表面展现出特殊的各向异性铺展特性，然而由于接触线运动微观机理复杂，理论模型尚不完善，相关实验研究会受到多方面制约，使得针对微结构表面上的液滴动力学研究仍然十分局限，亟需开展系统深入的研究。本文作者瞄准液滴在微结构表面上的铺展过程，利用两相颜色梯度格子玻尔兹曼（Lattice Boltzmann, LB）模型，通过数值模拟和分析，揭示了接触线和接触角的各向异性本质，探讨了表面浸润性的影响因素及其作用机制。 建立了适用于两相非混溶流动问题的颜色梯度LB模型，给出了模型的基本方程、实施步骤和几类经典的边界条件。在此基础上，模拟了液滴在静止空间中的分布问题、剪切流中的液滴变形问题，通过数值结果和理论解的对比，验证了模型的准确性。再者，利用相场函数法，实现了浸润边界上接触角的准确实施。 发展了基于宏观量传递的颜色梯度LB模型多块网格加密方法，在提升计算效率的同时保证了模型的计算精度。利用颜色梯度模型和多块网格法模拟了液滴在微结构表面上的铺展过程，数值复现了前人的多项实验发现，主要包括多边形接触面形状、接触角各向异性以及接触线的非同步运动等。通过捕捉不同时刻下的液滴前沿位置，真实展示了接触角的迟滞特性。 针对前人所提出的接触角预测模型未能考虑微结构高度的影响问题，通过引入微结构高度，重新定义了微结构的密度。建立了考虑微结构高度影响的接触角预测的改进模型，并通过数值模拟结果验证了此模型。也进一步讨论了平衡接触角、微结构布局和微结构形状对接触面形状的影响作用。

Keyword ：

格子玻尔兹曼方法 接触角迟滞 接触线运动 微结构表面

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燃气轮机透平进口温度是决定机组性能水平的关键因素，提高燃气轮机透平进口温度是提高燃气轮机热效率最有效的手段。目前，燃气轮机透平进口初温已远远超过了透平叶片金属材料的耐温极限，因此高效冷却技术成为高性能燃气轮机研发的核心关键技术之一。透平叶片尾缘段作为典型的高换热区域，兼顾气动效率和结构强度的考虑，冷却结构的设计与布置十分受限，而扰流柱阵列冷却为目前主流内部冷却方式，但随着高性能燃气轮机的需求，传统冷却结构备受压力，因而寻求性能更优的冷却形式及方式是优化透平叶片尾缘段传热与冷却技术的重要前提。为此，本文以透平叶片尾缘专门区域为研究对象，从冷却结构改型调整及寻求性能更优的冷却技术两方面着手，对叶片尾缘内部冷却通道的流热特性进行了系统的研究，旨在为透平叶片尾缘冷却设计提供理论依据及工程参考。 首先，针对实际工业燃气轮机透平叶片在真实运行工况下的流动与冷却特性进行了分析，以求在对叶片总体流热特性了解的基础上，通过重点关注叶片尾缘区域在实际叶片复合冷却中的流热特性，阐明叶片尾缘段冷却需求在整个叶片中的重要性，评估了实际叶片尾缘段的综合性能表现，揭示了叶片尾缘段现今主流冷却结构存在的不足及可进步性，为其后针对叶片尾缘段寻求更优的冷却结构及方式奠定基础。研究结果发现，由于流向曲率及压力梯度的区别，叶片吸力面的气膜冷却有效度优于压力面。但针对叶片尾缘段的外部冷却性能，其冷却效果均不如叶片前缘或中弦区域；而在内部冷却中，传统扰流柱阵列冷却虽一定程度上可带来换热效果的强化，但其强度并不如前缘及中弦区域所采用的冲击冷却。因而，无论在内部还是外部冷却性能上，尾缘段均具有一定的进步空间。另外，尾缘段的冷却性能受燃气轮机运行工况的变化影响明显，随冷气进口质量流量的增加及主流进口总压的降低，尾缘段的内部及外部冷却似乎都呈现升高的趋势，但整个叶片的冷却性能并不呈现一致的变化规律，尾缘段冷却性能的提升可能基于其他部位冷却性能恶化或燃气轮机机组热效率降低为代价，因而寻求更优的冷却结构及方式十分必要。 为此，本文从冷却结构的改型调整角度出发，提出了一种新型扰流柱结构——圆顶间断型扰流柱，并专门搭建了透平叶片尾缘内部冷却试验台，采用瞬态液晶测量手段开展了试验研究，评估了其与传统主流冷却结构的区别及优势，讨论了关键特征参数及布置方式对尾缘内部冷却通道的强化换热性能影响规律。在此基础上，突破了单一冷却形式的思路，探究了组合冷却结构的热力性能。研究结果表明，圆顶间断型扰流柱在性能上具有明显优势，尤其体现在压力损失上，间隙及圆顶的存在显著降低了通道压力损失；而在换热分布上，圆顶间断型扰流柱加强了马蹄涡的强度和尺度，并一定程度改善了扰流柱下游的换热效果。同时发现，圆顶间断型扰流柱间隙高度的变化会影响壁面的换热分布，间隙高度的增加会使换热峰值沿流向后移，并且换热系数先增加后降低；而压力损失则随着间隙高度的增加显著降低。扰流柱与肋片的组合冷却形式可对通道壁面换热系数带来7%~18%的增加，并且可有效改善冷却通道换热系数分布的均匀性，为满足对传热及压损的不同需求，提供了一种较为实用的冷却结构设计。 除去对冷却结构形式与布置的调整，寻求可替代冷却技术是提升尾缘内部冷却性能的另一有效手段。论文还详细分析了不同冷却工质作用下尾缘内部冷却通道的性能表现，重点关注了极具前景的湿雾两相流冷却，揭示了尾缘内部冷却通道中复杂二次流与液滴之间的相互作用机制及液滴动力学特性，并阐述了液滴特性对湿雾冷却作用效果的影响。研究结果表明，湿雾两相流冷却可在几乎不影响压力损失的情况下明显强化尾缘内部通道的换热效果，尤其在高雷诺数工况下。并且无论在何种冷却工质作用下，圆顶间断型扰流柱均表现出最佳的换热性能。相比于空气，蒸汽冷却带来的换热强化效果更优，但考虑到实际工程应用中的可行性，湿雾空气冷却具有更强的吸引力。液滴特性变化会对冷却通道的换热性能带来不同程度的影响，液滴初温的降低及初速的增加会略微改善通道的换热效果，而针对液滴直径的变化，通道换热效果呈现先增加后降低的趋势。整体而言，湿雾空气冷却作用下的圆顶间断型扰流柱阵列冷却较于传统冷却方式，综合换热因子最高可提高29.7%。 最后，基于本文研究所发掘的性能更优的冷却结构形式及可替代冷却技术，在接近于真实叶片尾缘段的楔形内部冷却通道中进一步研究了其潜在优势及可行性，分析了不同冷却工质在楔形通道中的热力性能，重点讨论了湿雾两相流冷却的性能表现及分析了液滴特性带来的影响，更为全面地考核了圆顶间断型扰流柱及扰流柱搭配肋片的组合冷却形式在尾缘内部冷却通道中的热力特性。研究结果显示，区别于矩形内部冷却通道，楔形通道的渐缩性致使壁面换热系数沿流动方向整体呈现逐渐升高的趋势。三种扰流柱结构中，仍然是圆顶间断型扰流柱体现出最佳的换热性能，无论是在换热系数或流动阻力方面均表现出较为明显的优势，较于传统圆柱型扰流柱，其综合换热因子的最大区别可达至15.3%。而肋片的引入相对于单一冷却形式可对壁面换热系数带来24.9%~32.5%的提高，但同样会造成压力损失的增加，对于通道的综合换热因子仅可带来2%的提升，但可一定程度影响壁面传热分布的均匀性。 本文研究阐明了尾缘段冷却效果在整个叶片中的重要性，揭示了传统冷却结构的不足及可提升性，同时采用试验测量和数值模拟的研究方法，全面考核并评估了新提出的圆顶间断型扰流柱结构及其与肋片搭配形成的组合冷却形式、以及极具前景的湿雾两相流冷却技术在尾缘内部冷却通道中的性能表现及应用潜力，为透平叶片尾缘冷却设计与冷却技术，提供了一种具有工程应用价值的新的方案及其重要的理论依据。

Keyword ：

间断型扰流柱 内部冷却通道 湿雾冷却 试验与数值研究 透平叶片尾缘

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热毛细对流是一种非常重要的自然现象，在医药、化工、生物科技等领域有着广泛的应用。在微重力环境下以及表面张力主导的微流控设备中，热毛细对流最为常见。温度、流体的粘性、表面张力以及固体壁面的润湿属性影响着微液滴的热毛细运动。 本论文采用格子Boltzmann颜色流体模型模拟两互不相溶的流体在固体表面的热毛细流动。该模型引入连续表面力的概念建模动态表面张力和马兰戈尼应力，并采用Latva-Kokko和Rothman提出的重新标色算法实现两种流体互不相溶；同时采用被动标量法计算温度场，并通过给定的状态方程以及描述温度对流体粘性影响的函数关系建立流体动力学方程和温度方程之间的耦合。此外，流体与固壁的相互作用由部分润湿边界条件处理，其中接触角通过接触角几何公式指定，并结合颜色守恒的边界封闭格式改进数值稳定性和抑制接触线附近的假拟速度。 数值模型首先通过模拟恒定表面张力条件下静态接触角进行了数值验证。然后，用它模拟了在常粘性和变粘性条件下液滴在均匀温度梯度壁面上、不同接触角下的热毛细迁移过程。发现了液滴运动存在两种不同的状态，即液滴在疏水和亲水壁面的运动方向相反，该发现与前人的实验和数值模拟结果一致。最后，论文也模拟了时空可控润湿条件下液滴的热毛细运动。发现了在不同参数基板条件下几种典型的液滴行为，特别关注了何种条件下液滴会运动更快；也分析了液滴在不同润湿条纹尺寸、粘性、温度、初始接触角和热毛细力条件下的多种运动形式和形状变化。相关模拟结果为微流控设备中微液滴的精确操控提供有价值的参考。

Keyword ：

表面润湿性 多相流动 格子Boltzmann方法 热毛细运动 液滴动力学

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本发明公开了一种旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法，包括以下步骤：1)采用液滴动力学理论建立旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径d_pc、粒径分离效率<img file="DDA0001336927260000013.TIF" wi="67" he="66" />及总分离效率η的通用计算模型；2)根据旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径d_pc、粒径分离效率<img file="DDA0001336927260000011.TIF" wi="67" he="63" />及总分离效率η的通用计算模型构建基于分离系数B的旋叶气液分离器模拟实验设计准则，其中，旋叶气液分离器模拟实验设计准则为：<img file="DDA0001336927260000012.TIF" wi="1478" he="143" />该方法确定出旋叶气液分离器模拟实验的设计准则。

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冷凝传热过程广泛存在于能源、化工、航空等工业领域，相比于膜状冷凝换热，滴状冷凝具有极高的传热效率，因此其具有广阔的应用前景。目前关于滴状冷凝的研究多集中于单一因素的影响，缺乏对各因素（微结构、接触角、润湿梯度等）系统的分析。本文首先制备了不同微结构和接触角的疏水表面以及不同几何结构参数的超疏水-亲水组合表面，之后通过冷凝传热实验研究了疏水表面的微结构、接触角及超疏水-亲水组合表面的几何参数对传热性能的影响。通过课题研究得到的主要结论如下： (1) 针对接触角及表面形貌对冷凝换热性能的影响，制备了Cu(OH)2、CuO-120(静态接触角是120°)、CuO-155(静态接触角是155°)、C36H70CuO4疏水试样。实验发现，CuO-120和CuO-155表面能够明显观察到液滴合并长大过程，而在C36H70CuO4试样表面，液滴合并后形成局部液膜，无法恢复球缺形。通过与紫铜表面实验结果进行对比，上述试样都能有效提高冷凝传热性能。其中，CuO-120试样的冷凝传热性能最高，为铜表面的3倍；Cu(OH)2与CuO-155试样的冷凝传热性能相近，为铜表面的1.8倍，C36H70CuO4试样的冷凝传热性能更低，不到铜表面的1.2倍。 (2) 建立滴状冷凝传热模型，模型预测了表面热通量关于过冷度及接触角的变化趋势，与实验结果吻合良好。另外，通过模型得到成核密度对热通量的影响，热通量随成核密度的增加呈现增大的趋势。 (3) 为降低液滴脱落直径，提高表面冷凝传热性能，在CuO-155表面构筑不同结构参数的超疏水-亲水组合表面。实验结果表明，与CuO-155超疏水表面相比，组合表面冷凝液滴在表面张力作用下自发向亲水区迁移，脱落直径变小、脱落速率变大，因此具备强化换热性能。组合表面亲水区几何参数对换热性能有明显影响，冷凝换热性能随亲水区面积的减小先增大后减小，且增加亲水区Laplace压力差的梯形组合表面的冷凝传热性能要优于平行四边形组合表面。 (4) 对组合表面液滴动力学行为分析表明，在小过冷度下冷凝液滴进入亲水区后，重力无法克服固液界面的能垒而沿着亲水流道排走；在大过冷度下，液滴尺寸明显增大，这使液滴脱落过程中所受重力能够轻易克服液滴与冷凝表面的粘附功和亲/疏水界面的能垒，导致液滴穿过亲水区直接下滑。

Keyword ：

超疏水 超疏水-亲水组合表面 传热性能 滴状冷凝

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在石油化工与核等过程工业中，易燃易爆高压液体或者液化气体由于容器或者管道破损发生泄漏形成闪蒸喷雾事故，对工业生产、人们生命与自然环境产生严重危害。本文主要针对泄漏性事故闪蒸喷雾，开展室内小规模模拟泄漏闪蒸喷雾实验研究。喷嘴内流动形态对雾化破碎具有重要影响，因此本文以圆形直管透明喷嘴为泄漏喷口（内径0.6mm，长度40mm），系统研究了异戊烷（iso-pentane，C5H12）闪蒸喷雾喷嘴内流动与雾化特性及其影响规律，为泄露性闪蒸喷雾事故有效评估以及降低灾害损失提供理论支撑。 本文采用模块化设计，搭建了可精确控制喷雾初参数（初始过热度、喷雾压力及喷雾持续时间等）和多变量（温度、压力、喷嘴内流型、喷嘴外雾化形态、液滴速度和粒径分布等）同步测量的实验系统。利用高速摄像仪、显微成像系统、相位多普勒粒子分析仪等多种测量仪器对多种工况下异戊烷闪蒸喷雾喷嘴内流动特性、雾场的形态学特征和动力学特征进行准确测量，掌握了初始过热度和喷雾压力协同作用下闪蒸喷雾雾场形态以及液滴速度、粒径空间分布的变化规律，揭示了闪蒸喷雾非平衡雾化区和平衡雾化区液体破碎雾化以及动力学特性的变化机理、喷嘴内流动状态对喷嘴外雾化特性的影响机理。得到的主要结论有： 闪蒸喷雾开始后经过剧烈波动的发展阶段后进入稳定阶段，喷雾进入稳定有两个特征标志：1）喷嘴外雾化锥角保持稳定不变；2）喷嘴内出口附近形成稳定的锥状汽化区。初始过热度和喷雾压力协同作用时二者相互促进，闪蒸喷雾相变产生的大量气泡对液体团块的分割作用会增强表面波发展和气相扰动对液体的撕裂效果，喷雾压力升高出口附近扰动增强会加剧形核过程的发生，气泡数量密度上升且破碎加剧，闪蒸对液体破碎的影响同样得到增强，此时闪蒸喷雾的雾化锥角和径向膨胀度更大，雾场均匀性也更高。过热度对闪蒸喷雾的影响存在临界点。在无量纲过热度小于0.2时，温度变化对闪蒸喷雾雾场的形态学特征和动力学特征影响较大，无量纲过热度大于0.2后进入完全闪蒸的状态，过热度的影响显著减弱。过热度和喷雾压力对液滴速度和粒径的影响存在竞争，单一因素占主导时液滴速度和粒径的变化规律性较强。过热度在近喷嘴处非平衡雾化区域的影响较大，破炸性的破碎雾化使得液滴加速，直径剧烈降低。此区域内喷雾压力与过热度的协同影响主要表现为：未完全闪蒸时，首先增加喷雾压力，可使液滴速度增加，增加温度液滴直径下降明显，但速度几乎不变；达到完全闪蒸之后，增加喷雾压力使液滴速度与直径均下降，而增加过热度液滴速度与直径变化不明显。

Keyword ：

过热度 喷嘴内流动 闪蒸喷雾 雾场形态 液滴动力学特征

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甘油喷雾在生产和生活中有诸多应用.利用压缩空气辅助甘油喷雾可获得雾化性能良好的甘油液滴,提高甘油的利用率,本文采用双流体喷嘴在不同喷雾压力下进行甘油/压缩空气两相喷雾,使用高速摄像仪拍摄稳态喷雾形态,利用PDPA测量喷雾液滴的直径与速度的空间分布,对两相喷雾动力学进行系统的实验研究.结果表明,在实验压力条件下,甘油经压缩空气混合及二次雾化后,雾化状况良好.实验获得了液滴直径与速度的空间分布及其与喷雾压力的变化关系.

Keyword ：

甘油 喷雾特性 压缩空气 液滴动力学

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