课题基金 / 基金详情

圆柱表面非牛顿流体薄膜流动

批准号:
12102109
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
丁子敬
依托单位:
学科分类:
湍流与流动稳定性
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
丁子敬

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
圆柱形表面上的薄膜流动跟自然界和工业系统中的很多现象和应用广泛的联系在一起,例如蜘蛛丝上的液滴,水收集,去盐以及纳米纤维的制造等。这种重力-表面张力驱动的流动表现出极为丰富的动力学现象,例如绝对/对流不稳定,整体运动的液滴串。在过去几十年里,绝大多数研究都集中在牛顿流体薄膜流动问题。而在工业应用系统、日常生活中所遇到的流体绝大多数都是非牛顿流体,例如高分子溶液。绝大多数高分子溶液都表现出剪切稀化和粘弹性效应。流体学术界对于剪切稀化、粘弹性效应对圆柱上的薄膜流动的稳定性、以及非线性不变解的影响仍然缺乏足够的认识。本项目拟从实验、数值计算、理论建模这三个角度对竖直圆柱表面上的非牛顿流体薄膜流动进行深入研究,重点考察剪切稀化、粘弹性效应对流动的线性稳定性(时间稳定性、绝对/对流稳定性)的影响,和非线性不变解与流动形态的关联。
英文摘要
Liquid film flows on cylindrical surfaces are widely connected with natural phenomena and industrial applications, e.g. liquid beads on spider silk, water collection, desalination and manufacture of nanofibers. The gravity-surface tension driven flow shows rich dynamical phenomena, such as absolute/convective instability and droplet trains. In the past decades, most researches were focused on Newtonian liquid film flows. However, in industrial applications and our daily lives, most liquids we encountered with are non-Newtonian, e.g. polymer solutions. Most of these polymer solutions exhibit shear-thinning and viscoelastic characteristics. How the shear-thinning and viscoelastic effects modify the flow instability as well as the nonlinear invariant solutions in a liquid film flowing on a cylinder remain open. The project aims to investigate a non-Newtonian liquid film flowing down a vertical cylinder experimentally, numerically and theoretically. The influences of shear-thinning and viscoelastic effects on the linear stability (temporal stability, absolute/convective stability) and the intrinsic connection between the nonlinear invariant solutions and flow patterns will be examined.
项目背景:薄膜流动是《流体力学展望》所确立的10个重要研究方向之一。薄膜流动的研究对线性稳定性、弱非线性分析、分岔理论、流动控制、非线性不变解的发展起到了重要的作用,迄今仍然是学术界的热门课题之一。.主要研究内容:本项目主要研究了界面弹性效应、纤维弹性效应、以及液体弹性效应、滑移界面等因素对流动动力学的影响,先后在Phys. Rev. Fluids. Phys. Rev. E, J. non-Newtonian fluid mechanics, Langmuir等期刊发表5篇论文,并有一篇论文目前处于小修状态(minor revision),还有2篇重要论文处于写作状态。以下主要介绍重要结论。.重要结论1:本项目先后研究了圆柱纤维上的液膜表面弹性对流动动力学的影响和平板上液膜表面弹性对稳定性的影响。我们从分子动力学出发证明了液体表面弹性在微尺度的重要性(Phys.Rev.Fluids, 8,064001,2023),并在宏观尺度,利用Navier-Stokes方程研究证明了,高斯曲率引起的表面弹性会加速纤维上薄膜的失稳,形成液滴状结构(Phys.Rev.E. 105,035104, 2022)。.重要结论2:在本项目的资助下,我们发现弹性纤维上使得液膜流动变得更加不稳定,从而形成更大的液滴,但是流动更容易向对流不稳定发展(Phys. Rev. Fluids 9,094001,2024,)。.重要结论3:我们发现壁面存在渗透性时,粘弹性除了激发界面不稳定模态,还会激发一个流体-多孔介质穿透模态。这是以往的研究没有发现的。我们推导了界面临界失稳的临界条件,并通过数值计算验证(J non-Newtonian Fluid Mech. 322, 105147, 2023)。另外,我们阐述了滑移边界条件中粘弹性效应的重要意义,审稿人认为我们在该领域做出了重要的进展,目前处于小修状态(Physica D)..重要结论4:于此同时,我们开展了粘弹性液滴撞击低温壁面的实验工作,我们报道了粘弹性效应可以显著改变结冰的斑图,例如纯水在结冰过程中并不发生破裂,而粘弹性流体结冰会出现不同层次的破碎现象(Langmuir, 40, 2024)..科学意义:本项目通过研究界面流动现象,深入讨论流体界面弹性、固体表面弹性、以及液体弹性对流动稳定性的影响,是界面流动研究方向的重要补充。
穿透热对流中的最优热量运输
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    58万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    丁子敬
  • 依托单位:
国内基金
海外基金