基底壁面变形运动对粘弹性液膜流动特性影响机理和控制方法研究
批准号:
12072175
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
彭杰
依托单位:
学科分类:
多相流、渗流与非牛顿流体力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
彭杰
中文摘要
液膜流动现象在自然界和人类日常生产和生活中广泛存在。液膜动力学特性及其流动的稳定性是生产加工、地球物理和生物物理等众多领域中的关键问题。本项目拟采用基于长波近似的线性和弱非线性理论分析方法和基于锐利界面法的直接数值模拟方法,以平面问题和管道环流问题为例,系统研究基底壁面结构及其变形运动对粘弹性液膜流动特性的影响规律和机制,揭示流体惯性、表面张力以及流体黏弹性与基底壁面非定常运动之间的耦合激励或抑制效应;在此基础上,建立基于基底结构与变形运动的黏弹性液膜流动主、被动控制方法。对关键控制参数及其取值空间进行辨识,并进行相应的实验验证。从而实现黏弹性液膜流动失稳过程及失稳后液膜自由面波动力学特性(振幅、波速、流量等)的主、被动控制。相关研究对于提高聚合物薄膜制造、表面喷涂以及表面化学反应等工业生产过程效率和产品质量具有重要的指导意义。
英文摘要
The dynamics of falling films subjected to an external driving force is a ubiquitous and essential phenomenon that occurs extensively in nature and industrial applications. The film stability is the key issue in many manufacturing processes (coating films and spray forming), geophysics, and biophysics. In this proposal, the influences of substrate topography and deformation on the film dynamics of planar and core annular flow are studied comprehensively according to the linear and weak non-linear theoretical analysis, and the direct numerical simulation based on the sharp interface method. The interactions between the flow inertia, surface tension, film viscoelasticity, and the transient movement of the substrate are mainly concerned. Moreover, passive and active control methods are established based on the topography and deformation movement of the substrate. The key parameters and their values are identified, and corresponding experimental verification is performed. Thus, the instability of viscoelastic liquid film flow and the dynamics of the free surface wave (amplitude, wave velocity, flow rate, etc.) can be achieved. Corresponding results are significant and helpful in improving the efficiency and product quality of industrial production, such as polymer film manufacturing, surface coating, and interfacial chemical reactions.
液膜流动现象在自然界和人类日常生产和生活中广泛存在。液膜动力学特性及其流动的稳定性是生产加工、地球物理和生物物理等众多领域中的关键问题。本研究按照申请书计划进行,主要内容如下:.针对具有可溶活性剂液膜流体动力学问题开展研究。采用长波近似理论分析了液膜流动的失稳特征,揭示了界面模态和活性剂模态是导致流动不稳定的两种主要模态。活性剂可削弱界面模态的稳定性和增强活性剂模态的稳定性。活性剂的扩散特性,对液膜的稳定性有着非单调的影响规律。采用积分边界层理论的非线性动力学分析,结果显示界面模态和活性剂模态非线性演化后将引发不同类型的行波。活性剂可溶性、吸附性和扩散性的增强均能减弱马兰戈尼效应的稳定作用,使得界面模态引发的行波具有更强的色散特性;对于活性剂模态引发的行波解作用相反。针对柔性基底的液膜流动问题开展了研究,建立了修正润滑近似理论,有效提升了柔性基底存在情况下,润滑近似理论的精度。分析了外部作用力(如重力、剪切力)以及基底柔性对液膜流体动力学体特性的影响规律。.开发了平面二维液膜流动问题的直接数值模拟(DNS)算法和程序,对液膜自由面波动和基底变形进行准确模拟。结合自由面应力平衡方程、壁面边界条件和粘弹性应力本构关系,构造液膜自由面及基底壁面粘弹性应力、压强边界条件,实现牛顿、非牛顿液膜自由面流动数值模拟。研究了含纳米颗粒液膜重力作用下的动力学特性,发现纳米颗粒具有促进液膜自由面快波发展和增强液膜传热的作用。自由面波动波幅、波速和波长的特征关系式仍然与经典Nosoko关系式基本吻合。研究了不同壁面结构(波纹壁面、梯形槽壁面)对非牛顿(粘弹性)液膜流动特性的影响规律,结果显示在低速流动情况下,粘弹性效应在一定程度上可以抑制自由面波动的幅值。
气流作用下粘弹性液滴变形与破碎的特性和机理研究
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批准号:11672159
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项目类别:面上项目
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资助金额:86.0万元
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批准年份:2016
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负责人:彭杰
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依托单位:
柔性基底上粘弹性液膜的流动特性及稳定性机理研究
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批准号:11172152
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项目类别:面上项目
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资助金额:56.0万元
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批准年份:2011
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负责人:彭杰
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依托单位:
无膜微型燃料电池内流动特性及稳定性机理研究
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批准号:10972115
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项目类别:面上项目
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资助金额:38.0万元
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批准年份:2009
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负责人:彭杰
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依托单位:
屈服应力流体螺旋Couette流动稳定性研究
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批准号:10402016
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:17.0万元
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批准年份:2004
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负责人:彭杰
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依托单位:
国内基金
海外基金