不同浸润表面圆柱出水问题研究.doc

《不同浸润表面圆柱出水问题研究.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第八届全国流体力学学术会议2014年9月18～21日甘肃兰州文章编号：CSTAM2014-B01-0245不同浸润表面圆柱出水问题研究刘浩然，丁航中国科学技术大学近代力学系Copyright©2014版权所有中国力学学会地址:北京市北四环西路15号　邮政编码:100190　Address:No.15BeisihuanxiRoad,Beijing100190不同浸润表面圆柱出水问题研究1）刘浩然，丁航2）（中国科学技术大学近代力学系，安徽合肥230022）摘要物体出水是一个自然界常见的情况，在实际应用中也有

2、着重要作用，例如化工上的镀膜问题，昆虫水上行走问题等等。本文使用一种基于笛卡尔坐标的曲面移动接触线模型来对不同浸润表面圆柱出水问题进行了研究。我们发现圆柱表面浸润性的不同对圆柱出水后圆柱表面残留液体形态、拖起的液丝发生断裂等结果至关重要--在可浸润与不可浸润条件下会出现截然不同的结果。本文针对不同浸润条件、韦伯数、雷诺数、Froude数等流动参数，进行了系统的数值模拟研究，将展示所发现的不同流动模态和其流动特点，给出基于这些参数的流动模态相场，并对其进行分析。关键词圆柱出水；移动接触线；曲面；浸润性引言物

3、体出水是一个自然界常见的情况，在实际应用中也有着重要作用，例如化工上的镀膜问题，昆虫水上行走问题等等。对于物体，特别是圆柱出水问题的研究有很多，特别是实验和理论方面，例如，Greenhow早在1988年做的实验[1]，以及Korobkin在2013年提出的线性模型[2]。但是，关于圆柱出水问题的数值模拟方面的研究还是很少，这是由于以下几个原因：第一，曲面边界模拟的困难性，虽然贴体网格的方法能够很好的解决曲面边界，但是在计算时间以及网格生成上仍然存在着问题；第二，多相流模拟下，质量守恒很难保证；第三，移动接

4、触线在曲面边界上的准确模拟很难达到。本文采用我们自行发展的一种方法[3]来对圆柱出水问题进行数值模拟。该方法是在笛卡尔坐标下使用浸入边界法来模拟曲面边界，可以很好的避免贴体网格方法计算量大，网格生成困难等难点；并且提出特征线移动接触线模型来准确模拟曲面边界上的移动接触线，从而能够更好的反映壁面浸润性的影响。关于圆柱出水的现象以及分析，已有的研究主要讨论的方向只是定性的对圆柱出水问题进行分析，然而定量分析以及各种参数对于圆柱出水的影响并没有过多的研究，例如Re数、Oh数或者浸润性等不同参数的影响。本文主要研

5、究方向是圆柱壁面浸润性的改变对于圆柱出水后液体的残留情况、拉起液体的断裂情况的影响。而浸润性的改变和影响，具体表现为接触角的改变，进而影响移动接触线的形成以及动态变化，因此，本文研究的圆柱出水问题的难点就在于移动接触线准确描述与模拟，关于移动接触线的更多说明，Sui，Ding和Spelt在2014年的文献[4]中已经有了详细的介绍。本文的主要工作，使用数值方法模拟浸润性对于圆柱出水后残留液体、拉起液体的影响，并给出相关的相图。1数值方法本文的数值方法是将扩散界面法、浸入边界法和新提出的特征线移动接触线模型

6、有效的结合起来。使用扩散界面法来捕捉界面，浸入边界法来模拟曲面固体壁面边界，而特征线移动接触线模型是用来保证在曲面上形成的接触角能够符合设定的角度。这几种方法的有机结合，在能够精确模拟曲面上移动接触线问题的同时，还可以保证质量守恒。方法的详情以及收敛性、准确性等说明和验证参见文献[3]。2结果分析2.1问题描述本文模拟二维圆柱匀速出水的过程，如图1所示，计算区域为2D×10D（D为圆柱直径），使用均匀的笛卡尔网格，网格间距为0.01D。本文以圆柱为参考系，将圆柱固定在距离下边界7.5D的位置，液体以速度向

7、下运动，初始液面（体积分数为0.5的等值线）在距离下边界8.05D的位置。四个边界条件分别为：左边界，对称边界条件；下边界，入口边界条件，即，；右边界，，且；上边界，远场边界条件，。图1圆柱出水相关的无量纲参数的选取，以圆柱直径D为特征长度，入口处速度V为特征速度，本文使用的无量纲参数有如下几个：表征惯性力与粘性力比值的Reynolds数，；表征惯性力与表面张力比值的Weber数，；由于本文考虑重力，所以还有表征惯性力与重力比值的Froude数，；其中，是液体的密度，是粘性系数，是表面张力系数。本文选取了

8、三组不同的参数来进行计算，详见表1。每组参数下都有一系列不同浸润性的算例，选取不同的接触角：表1三组不同的无量纲参数组号ReWeFrA5000.690.20B10002.780.82C250017.365.102.2数值结果在不同浸润条件下，圆柱出水的界面形态随时间的变化如图2所示，选取了C组的60°，90°和120°的情况来进行对比。图2不同浸润条件下界面随时间发展的对比图从图2中可以看出，未形成移动接触线时，界面发展情况都