液滴撞击等温斜面的数值模拟

　　0　引　言

　　液滴与固体表面撞击现象涉及到化工、冶金、航空航天、材料科学和制造等工农业领域,是一种典型的自由表面流动问题。研究液滴与固体表面撞击现象不仅能更好地了解自由表面流动问题的本质,而且对于实际生产和现代高科技应用都具有非常积极的意义。

　　对液滴撞击斜面的变形过程的研究,多采用高速数码相机拍照的实验方法。数值模拟虽然出现的比较晚,但随着计算机的发展和长足进步,数值模拟方法越来越能较准确的表现出现象的变化。本文采用计算流体力学(computational fluiddynamics,CFD)方法,数值模拟液滴与固体斜面的等温碰撞过程。

　　1　计算模型

　　1.1　数学模型

　　液滴等温撞击模型涉及液滴及空气两种流体,二者没有发生传质,重点对液滴自由表面的运动进行考察,本文Fluent软件中的volume offluid (VOF)方法,定义气相空气为主相,液相的液滴为第二相。

　　各相的质量和动量方程为 v=0(1)

　　式中:v表示速度向量,p表示压力,Fsf为表面力向量。

　　VOF方法[1-3]是一种计算两相流体界面的数

　　值方法,通过定义一个VOF函数,规定一种流体为“目标流体”,每个网格上的VOF函数a定义为目标流体体积与网格总体积的比值,充满流体的网格a=1,不含流体的网格a=0,0< a<1的网格则是含有自由表面的网格。物性参数取网格内的体积分数平均值。

　　1.2　计算区域的离散

　　本文主要考察的是单个液滴与固体斜面碰撞变化过程,计算区域选择为包含一个液滴的流体区域。液滴倾斜壁面的碰撞涉及到前进接触角和后退接触角,因此固体壁面在模拟过程中多次划分,以定义不同的接触角。如图1所示,模拟区域为20 mm×5 mm的二维区域,采用四边形均匀网格来划分模拟区域。

　　1.3　边界条件

　　本文讨论的液滴撞击在大气压环境下进行,液滴撞击斜面时,斜面固体区域定义为绝热的边界条件,无滑移,温度和气体区域温度相等。假定气相和液相为不可压缩牛顿流体,黏度和表面张力为常数。液滴的运动认为是层流流动。在壁面边界条件中设置液滴与壁面的静态接触角。

　　计算采用的液滴为水,周围环境介质为空气,撞击壁面分别为玻璃和石蜡,它们的物性参数[4]见表1。

　　2　计算结果分析

　　当液滴撞击到一倾斜表面上时,液滴的形状将发生扭曲,铺展方向相对于撞击点不对称,并且这种不对称性随着时间发展越来越大。本文采用静态接触角(static contact angle,SCA)进行数学模拟,设定了前进接触角和后退接触角。并与实验结果[5]进行了对比。