崔 靜, 岳茂昌, 牛書(shū)鑫, 楊廣峰

(中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院, 天津 300300)

0 引 言

民航地面除/防冰作業(yè)的高效性和高可靠性是影響航班飛行安全和準(zhǔn)點(diǎn)率的關(guān)鍵因素,機(jī)場(chǎng)在進(jìn)行防冰作業(yè)時(shí),地勤人員需要向飛機(jī)機(jī)身噴灑除冰液,形成一層薄液膜以阻止和延緩飛機(jī)表面在一定時(shí)間內(nèi)再次結(jié)冰[1]．在雨天除冰液保持時(shí)間會(huì)大幅度縮短,更易危害飛行安全．因此,分析空氣中水滴撞擊機(jī)身除冰液液膜這一物理過(guò)程,對(duì)研究除冰液的失效行為具有重要意義．對(duì)于液滴撞擊液膜這一現(xiàn)象,目前主要通過(guò)高速相機(jī)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這一過(guò)程的研究．

Cossali等[2]通過(guò)采集撞擊的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,定性和定量地分析了撞擊后的多種狀態(tài)．之后許多學(xué)者發(fā)現(xiàn),改變流體的黏度、表面張力等物性參數(shù)對(duì)液滴的各種狀態(tài)的發(fā)生具有重要影響[3-8]．通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法雖然能夠直觀地觀察撞擊過(guò)程的形態(tài)變化,但撞擊過(guò)程中流場(chǎng)的速度、壓力、物性的變化等難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)具體觀察,因此許多學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部的一些變化進(jìn)行研究．一些學(xué)者利用LBM方法[9-11]建立了流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模型;另一些學(xué)者使用VOF方法[12-15]捕捉氣液界面,建立了液滴撞擊的數(shù)值模型,這些數(shù)值模型的使用對(duì)于分析撞擊過(guò)程中速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等物理場(chǎng)的變化提供了新的手段．然而以上的研究主要關(guān)注于Newton流體下液滴撞擊的現(xiàn)象,實(shí)際用于飛機(jī)防冰的除冰液是一種非Newton流體．在非Newton流體的研究方面,一些學(xué)者開(kāi)展了黏彈性[16]、屈服應(yīng)力特性[17]、剪切增稠型[18]、剪切變稀型[19]等具有非Newton流變特性的液滴撞擊固體壁面的研究．這些研究表明,撞擊過(guò)程流體的動(dòng)態(tài)黏度直接作用于液滴的動(dòng)力學(xué)行為,這與Newton流體的液滴相比表現(xiàn)出極大的不同．而在非Newton流體的數(shù)值模擬研究中,為了準(zhǔn)確描述它們的流變特性,需要采用不同的數(shù)學(xué)模型．其中,王強(qiáng)等[20]和張亞博等[21]使用冪律模型擬合出了Ⅱ型和Ⅳ型除冰液的流變特性曲線,為構(gòu)建水滴撞擊非Newton除冰液液膜提供了理論基礎(chǔ)．而在冪律流體的數(shù)值研究方面,一些學(xué)者采用修正的冪律公式[22-24]開(kāi)展了非Newton型流體中液滴撞擊、液膜破碎、液膜形成等方面的研究．這些研究為深入理解非Newton流體的動(dòng)態(tài)行為和流場(chǎng)分布提供了重要的技術(shù)手段和理論參考．

針對(duì)水滴撞擊非Newton除冰液這一問(wèn)題,本文耦合相界面控制方程及組分輸運(yùn)方程構(gòu)建了水滴撞擊傾斜除冰液液膜的數(shù)值模型,研究了撞擊過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)形態(tài)演變和液膜物性變化．進(jìn)而與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比,討論了斜面坡度和非Newton特性對(duì)撞擊過(guò)程的影響,以及水分在除冰液內(nèi)的質(zhì)量擴(kuò)散狀況．在數(shù)值計(jì)算得到的液冠半徑和生長(zhǎng)速度的基礎(chǔ)上,分析了不同坡比下液膜對(duì)液滴形態(tài)演變的作用規(guī)律．

1 數(shù)值計(jì)算方法

為了準(zhǔn)確分析液滴撞擊機(jī)身除冰液液膜這一動(dòng)態(tài)過(guò)程,將曲率多變的飛機(jī)表面看作是傾斜的固體壁面．當(dāng)空氣中的水滴撞擊除冰液液膜時(shí),會(huì)發(fā)生濺射、鋪展、互溶等物理過(guò)程,導(dǎo)致液膜抑冰失效．這一復(fù)雜的行為過(guò)程是一種多相(空氣-除冰液-壁面)、多組分(水-除冰液)、多體系(Newton流體-非Newton流體)耦合作用的復(fù)雜微物理過(guò)程．

為了描述此復(fù)雜的物理過(guò)程,將水、除冰液和空氣視作不可壓流體,構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型除包含常規(guī)的流動(dòng)控制方程外,還包括以下子模型: 1) 多相流模型,將液滴和液膜看作同一液相,采用VOF法求解撞擊過(guò)程中液滴與液膜在空氣中的相界面形成和遷移; 2) 組分輸運(yùn)模型,將液滴和液膜看成是同一液相中具有不同組分的混合物,采用不帶化學(xué)反應(yīng)的組分輸運(yùn)方程求解撞擊過(guò)程中液滴與液膜的質(zhì)量傳遞; 3) 湍流模型,在剪切變稀流體和液滴撞擊傾斜壁面的數(shù)值計(jì)算中,鄭所生等[24]和Qiu等[25]采用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行了模型構(gòu)建．本研究中下落水滴的Reynolds數(shù)較大(Re>4 000),我們假設(shè)水滴撞擊傾斜非Newton液膜的過(guò)程具有湍流特性,選取了RNGk-ε模型作為本研究的湍流模型．具體控制方程如下．

1.1 多相流模型

在VOF方程中通過(guò)求解液相體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)性方程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液相與氣相界面的跟蹤．對(duì)于q相,該方程具有以下形式:

(1)

其中ρq是q相的密度,vq是q相的速度矢量．體積分?jǐn)?shù)方程不求解空氣相,但提供各相體積分?jǐn)?shù)的約束:

(2)

在每個(gè)控制體積中,所有相的體積分?jǐn)?shù)總和為1．因此,任何給定單元中的變量和特性要么純粹代表相之一,要么代表液相和氣相的混合,這取決于體積分?jǐn)?shù)值．VOF法只求解一個(gè)動(dòng)量方程,得到的速度場(chǎng)為所有相共享:

(3)

其中F是由表面張力引起的附加體積力．液體的表面張力采用連續(xù)表面張力模型(CSF)計(jì)算,其具體形式為

(4)

其中σ為表面張力系數(shù),kl為液相與氣相之間的表面曲率,ρ為體積分?jǐn)?shù)平均密度,ρl為液相密度,ρg為氣相密度．

1.2 質(zhì)量擴(kuò)散模型

(5)

(6)

其中Di,m是混合物中組分i的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù),DT,i是熱擴(kuò)散系數(shù),Sc是湍流Schmidt數(shù),μt是湍流黏度．

1.3 湍流模型

RNGk-ε模型是通過(guò)重整化群論統(tǒng)計(jì)技術(shù)推導(dǎo)的,它的形式與標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型相似,但RNG模型的ε方程有一個(gè)額外的項(xiàng)(Rε),提高了快速應(yīng)變流的精度,并且與高Reynolds數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方程相比,它提供了一個(gè)解釋低Reynolds數(shù)效應(yīng)的有效黏度(μeff)微分公式．兩方程的湍流模型通過(guò)求解兩個(gè)獨(dú)立的輸運(yùn)方程來(lái)確定湍流的長(zhǎng)度和時(shí)間尺度．RNGk-ε模型通過(guò)湍流動(dòng)能k及其耗散率ε由以下輸運(yùn)方程得到:

(7)

(8)

其中,Gk表示由于平均速度梯度而產(chǎn)生的的湍流動(dòng)能,Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,YM表示可壓縮湍流的波動(dòng)膨脹對(duì)總體耗散率的影響,C1ε,C2ε,C3ε為常數(shù),αk和αε分別是k和ε的湍流Prandtl數(shù),Sk和Sε分別是自定義的源項(xiàng)．

2 模 型 構(gòu) 建

2.1 模型簡(jiǎn)化及假設(shè)

對(duì)于液滴撞擊液膜這一過(guò)程的計(jì)算,考慮液滴、液膜以及周圍氣體的流動(dòng),定義氣相為主相,液相為水和除冰液的混合物,在計(jì)算初始化時(shí),分別給水滴區(qū)域和液膜區(qū)域設(shè)置不同的組分質(zhì)量．如圖1所示,計(jì)算域大小為20 mm×10 mm,整個(gè)計(jì)算域分為3個(gè)區(qū)域,分別是:液滴區(qū)域,其內(nèi)部流體設(shè)置為水和除冰液的混合物,在初始化時(shí)設(shè)置為100%的水;液膜區(qū)域,其內(nèi)部流體也設(shè)置為水和除冰液的混合物,根據(jù)實(shí)驗(yàn)的不同工況,設(shè)置不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù);其他區(qū)域的流體設(shè)置為空氣．假設(shè)液滴為標(biāo)準(zhǔn)球形豎直下落,水滴的初始直徑為d,下落速度為v,重力加速度為g=9.81 m·s-2．壁面上覆蓋有非Newton除冰液液膜,定義中心點(diǎn)的左側(cè)為液膜下游,右側(cè)為液膜上游．撞擊產(chǎn)生的液冠下游半徑為Sd,液冠上游半徑為Su．底面邊界設(shè)置為固體傾斜壁面,其他為氣體邊界．斜面的坡度為

圖1 物理模型Fig. 1 The physical model

tanα=hw/lw．

(9)

圖1中的vn和vp分別表示液滴下落速度v在斜面法向和切向的分量:

vn=vcosα,vp=vsinα．

(10)

2.2 材料參數(shù)

液滴撞擊液膜的過(guò)程中,流體的運(yùn)動(dòng)涉及多個(gè)物理量和參數(shù)．為了使得不同條件下的撞擊過(guò)程能夠進(jìn)行比較和實(shí)驗(yàn),引入如下幾個(gè)無(wú)量綱數(shù)來(lái)描述問(wèn)題．描述慣性力和表面張力相對(duì)關(guān)系的Weber數(shù)

We=ρv2d/σ;

(11)

描述慣性力與黏性力相對(duì)關(guān)系的Reynolds數(shù)

Re=ρvd/μ;

(12)

撞擊的無(wú)量綱時(shí)間

t*=tv/d,

(13)

其中ρ,v,d,σ,μ分別為水滴的密度、速度、直徑、表面張力、黏度．

王強(qiáng)等[20]和張亞博等[21]經(jīng)過(guò)測(cè)試指出冪律模型能較好地?cái)M合出Ⅱ型除冰液的流變特性,為了探究除冰液液膜非Newton流變特性對(duì)液滴撞擊過(guò)程的影響,本文采用在工程上被廣泛使用的冪律方程來(lái)描述除冰液液膜流變特性的變化,其方程如下:

τ=kDn,

(14)

式中τ為剪切應(yīng)力;k為稠度系數(shù),其與流體稠度有關(guān);n為流態(tài)特性指數(shù)．

在本文中所模擬的Ⅱ型除冰液液膜和水的具體物性參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 材料物性參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 液滴撞擊傾斜液膜的動(dòng)態(tài)過(guò)程及分析

圖2為液滴撞擊坡比為5/20的傾斜液膜后的動(dòng)態(tài)過(guò)程,其中液滴速度v=4 m/s,直徑d=2 mm,Weber數(shù)We為408.3(模擬)和397.5(實(shí)驗(yàn)),液膜的除冰液初始濃度為0.5,液膜的厚度為0.5 mm．

(a) 數(shù)值模擬結(jié)果(a) Simulation results

從圖中可以看到,液滴撞擊液膜后產(chǎn)生的液冠在中心點(diǎn)兩側(cè)呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱特征,隨著時(shí)間的推移,這種非對(duì)稱性進(jìn)一步增強(qiáng)．由于液滴撞擊液膜這一過(guò)程,不僅會(huì)產(chǎn)生外在的形態(tài)變化,而且兩種不同物性的液體會(huì)相互擴(kuò)散．因此采取實(shí)驗(yàn)的手段無(wú)法滿足對(duì)撞擊過(guò)程中流體內(nèi)部變化研究的需求,為了進(jìn)一步研究液滴與液膜在撞擊過(guò)程的內(nèi)部變化,我們通過(guò)數(shù)值模擬的手段觀察了水和除冰液的質(zhì)量分布云圖,如圖2(a)所示．圖中淺藍(lán)色區(qū)域代表液體的成分為水,而深藍(lán)色區(qū)域代表除冰液．根據(jù)圖2展示的液冠形態(tài)隨時(shí)間變化的模擬計(jì)算結(jié)果(圖2(a))和實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖2(b))可以發(fā)現(xiàn),我們構(gòu)建的數(shù)值模型很好地恢復(fù)了液滴撞擊液膜后形成的液冠,以及液冠表現(xiàn)出的非對(duì)稱特征,這表明該模型的宏觀結(jié)果可以滿足分析的需求,能夠?qū)σ旱巫矒粢耗ず蟮男螒B(tài)演化進(jìn)行有效預(yù)測(cè)．

如圖2(a)所示,在撞擊的初始階段液滴與液膜開(kāi)始接觸(t*=0),由于流體表面張力的作用,液滴與液膜難以相互滲透,這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)水分與除冰液兩種物質(zhì)之間的界面清晰可見(jiàn)．隨后在慣性力驅(qū)動(dòng)下液滴快速向下沖擊液膜(t*=0.46),受流體黏性力和表面張力的作用,液滴與液膜交界面附近的液體開(kāi)始以圓弧形式向上彎曲,形成一個(gè)初始的液冠．從質(zhì)量分布圖中可以觀察到,液冠的外壁比內(nèi)壁的顏色更深,這說(shuō)明外壁含有更高濃度的除冰液成分．這種現(xiàn)象暗示著液滴撞擊產(chǎn)生的液冠是由液滴和液膜的部分流體組成的,并且在液冠的形成過(guò)程中,可能存在著除冰液被帶離液膜的情況．隨著沖擊過(guò)程的繼續(xù)(t*=1.62～3.22),液滴受到周圍液膜的擠壓,引起劇烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng),從而加速液滴中水分與液膜中的除冰液傳輸與混合．同時(shí)受液滴徑向運(yùn)動(dòng)的影響,液膜內(nèi)部的液體將從撞擊區(qū)域向兩側(cè)擴(kuò)散．

隨著撞擊過(guò)程的繼續(xù),液冠的非對(duì)稱特征將更加顯著,在t*=3.22時(shí)可以看到下游液冠半徑Sd明顯大于上游液冠半徑Su．并且在t*=4.82～6.22(圖2(a))和t*=7.31(圖2(b))時(shí),上游的液冠已經(jīng)開(kāi)始回落,然而下游的液冠仍在向左側(cè)擴(kuò)張．運(yùn)動(dòng)間斷理論認(rèn)為,在液滴撞擊液膜的過(guò)程中,撞擊區(qū)域內(nèi)流體的徑向流動(dòng)速度要遠(yuǎn)高于液膜內(nèi)的流動(dòng)速度,在速度間斷的作用下,液體會(huì)持續(xù)不斷地流入液冠,進(jìn)一步促進(jìn)液冠的發(fā)展[26]．這一理論表明,流體內(nèi)的速度變化會(huì)對(duì)液冠的形成和發(fā)展產(chǎn)生重要影響．經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為,產(chǎn)生這種不對(duì)稱現(xiàn)象的原因是流體運(yùn)動(dòng)的不對(duì)稱．由于傾斜壁面的影響,液滴與液膜之間的撞擊是一種非法向撞擊行為,液滴撞擊液膜時(shí)將產(chǎn)生一定夾角,這導(dǎo)致撞擊后液滴向上游和下游傳遞的動(dòng)量不同,并且上游的運(yùn)動(dòng)需要更多的能量克服液膜的阻力以及液冠自身的重力,這將進(jìn)一步降低上游流體的速度．而劇烈的運(yùn)動(dòng)則會(huì)加快除冰液的擴(kuò)散,因此從圖3(a)中可以看到上游液冠的顏色比下游液冠的顏色更深,這說(shuō)明上游液冠的除冰液濃度更高．為了進(jìn)一步驗(yàn)證,我們選取了t*=3.22時(shí)中心點(diǎn)8 mm范圍內(nèi)的速度分布,如圖3(b)所示．在整個(gè)范圍內(nèi),可以觀察到上游流體的速度明顯低于下游流體的速度．此外,隨著距離的增加,流體速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),并在距離中心點(diǎn)約2 mm處出現(xiàn)一個(gè)速度峰值．經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),該速度峰值位于氣體夾帶形成的小氣泡邊界上,我們通過(guò)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡的觀察,推測(cè)這可能是液冠與液膜的邊界．

(a) 質(zhì)量分布 (b) 速度分布(a) The mass distribution (b) The velocity distribution

3.2 液膜的非Newton流變特性

事實(shí)上,液滴在傾斜液膜上的非法向撞擊行為,不僅造成上游和下游的動(dòng)量傳遞差異,還將改變液膜在上游和下游的黏度．研究表明,液膜的黏度對(duì)撞擊過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)行為有顯著影響[3-4,8]．由于液膜內(nèi)的除冰液是一種具有剪切變稀特性的非Newton流體,即它的黏度隨剪切速率的增加而逐漸降低．液膜的黏度越高,液體分子之間的作用更強(qiáng),這將導(dǎo)致內(nèi)部的剪切力越大,從而消耗更多的動(dòng)能．圖4展示了撞擊過(guò)程中流體的剪切速率(左)和黏度(右)隨時(shí)間的變化．如圖所示,隨著液滴撞擊傾斜液膜所帶來(lái)的剪切效應(yīng),引發(fā)了不同位置處剪切速率的差異,進(jìn)而導(dǎo)致液膜內(nèi)相應(yīng)位置的黏度呈現(xiàn)出不同的變化．

圖4 剪切速率(左)和黏度(右)Fig. 4 Shear rates (left) and viscosities (right)

在液滴與液膜碰撞的初期(t*=0),液滴下落所夾帶的空氣使液膜受到了較大的剪切,這導(dǎo)致周圍的剪切速率迅速升高,最大可達(dá)10 000 s-1．此時(shí),雖然液滴未與液膜相混合,但液膜中的黏度已經(jīng)出現(xiàn)明顯降低的現(xiàn)象．此外可以發(fā)現(xiàn),流體的剪切速率和黏度在中心點(diǎn)兩側(cè)也是不對(duì)稱的,如圖5(a)所示,相同距離內(nèi)上游的黏度小于下游的黏度,并且此時(shí)下游黏度的作用范圍更?。@是因?yàn)樵谥亓ψ饔孟抡麄€(gè)斜面上流動(dòng)趨勢(shì)是向下的,而液滴在上游的運(yùn)動(dòng)與之相反．相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)增大液滴對(duì)液膜的剪切作用,因此液膜在上游的黏度更低．研究發(fā)現(xiàn),流體的剪切速率和黏度的作用是相互的,大剪切速率將導(dǎo)致低黏度,而高黏度則會(huì)抑制流體的剪切行為．隨著時(shí)間的推移,液膜上游區(qū)域的液體速度會(huì)逐漸減小并趨于穩(wěn)定,而下游區(qū)域仍然保持較快的擴(kuò)散速度．在圖4(t*=6.22)和圖5(b)所示的撞擊后期,由于除冰液的非Newton特性,上游黏度已經(jīng)開(kāi)始恢復(fù),這表明上游的運(yùn)動(dòng)正趨于穩(wěn)定,并且此時(shí)上游黏度大于下游黏度．由于液膜上游區(qū)域的黏度更高, 液體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到更大的阻力, 這將導(dǎo)致液膜上游區(qū)域的回落速度更快．我們進(jìn)一步推測(cè), 這種由非Newton特性引發(fā)的不同區(qū)域黏度的差異, 可能是導(dǎo)致液滴在撞擊傾斜液膜后呈現(xiàn)出非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)特征的原因之一．

(a) t*=0.46 (b) t*=6.22

3.3 水滴撞擊不同坡度的傾斜液膜

圖6為水滴在不同坡度的傾斜液膜上的撞擊過(guò)程,其中水滴的速度v=4 m·s-1,直徑d=2 mm,Weber數(shù)We為408.3(模擬)和421.8,397.5,417.3(實(shí)驗(yàn)),除冰液液膜的初始濃度為0.5,液膜的厚度為0.5 mm．我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),液膜厚度受斜面坡度的影響．當(dāng)坡度達(dá)到一定高度后,液膜下游的厚度略高于上游的厚度．由于實(shí)驗(yàn)手段的限制,并不能準(zhǔn)確地探究坡度對(duì)非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)行為的影響．因此,選取了3個(gè)不同的坡度(水平、低、高)以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性．從圖中可以看到:水滴在撞擊到水平液膜時(shí),產(chǎn)生的液冠在中心點(diǎn)兩側(cè)為對(duì)稱形狀,并且產(chǎn)生的液冠較大;當(dāng)水滴撞擊傾斜液膜時(shí),則呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱特征,并隨著坡度的增加而進(jìn)一步增強(qiáng)．此外,隨著坡度的增加,液冠在上游的生長(zhǎng)明顯受到抑制,表現(xiàn)為上游液冠半徑減小,下游液冠半徑增大的趨勢(shì)．由3.1小節(jié)可知:受傾斜壁面的影響,液滴撞擊液膜是一種非法向撞擊行為,上游和下游的動(dòng)量傳遞存在差異．隨著坡度的增加,液滴下落速度v與斜面法線的夾角α將逐漸增大,進(jìn)而造成沿斜面向下的切向速度vp增加．因此,當(dāng)液滴在撞擊高坡度的液膜時(shí),液滴向下游傳遞的動(dòng)量增加,從而促進(jìn)了下游液冠的生長(zhǎng)．這些結(jié)果揭示了坡度對(duì)液滴撞擊液膜后的流體動(dòng)力學(xué)行為有著重要影響．

(a) 數(shù)值模擬結(jié)果(a) Simulation results

為了進(jìn)一步分析液滴在不同坡度下撞擊液膜后的動(dòng)力學(xué)行為,我們得到了圖7所示的液冠半徑隨時(shí)間變化的曲線．可以發(fā)現(xiàn),隨著時(shí)間的增加,液冠的上游半徑Su和下游半徑Sd逐漸增大．在撞擊前期(t*=0～1.2),我們可以觀察到不同坡度下的液冠半徑大小近似相等．這表明,斜面的坡度并不會(huì)顯著影響撞擊瞬間的液冠生長(zhǎng)情況,而是主要作用于撞擊后流體的運(yùn)動(dòng)．根據(jù)圖7(a)和7(b)的數(shù)據(jù),我們可以發(fā)現(xiàn),液滴在撞擊液膜后形成的液冠上下游半徑呈現(xiàn)出不同的規(guī)律．具體來(lái)說(shuō):在t*=2.5時(shí),隨著斜面坡度的增加,液冠上游半徑Su逐漸減小,其中坡度為1/20的Su=4.1 mm,而坡度為7/20的Su=3.4 mm;相反,液冠下游半徑Sd隨著坡度的升高而增加,其中坡度為1/20的Sd=4 mm,而坡度為7/20的Sd=5 mm．說(shuō)明斜面坡度對(duì)液冠上下游半徑的影響存在顯著差異,在上游部分,坡度的增加抑制了液冠持續(xù)生長(zhǎng)的趨勢(shì);而在下游部分,則對(duì)液冠的生長(zhǎng)產(chǎn)生了促進(jìn)作用．

(a) 下游半徑 (b) 上游半徑(a) Downstream radii (b) Upstream radii

4 結(jié) 論

本文通過(guò)耦合相界面控制方程及組分輸運(yùn)方程建立了水滴撞擊除冰液液膜的動(dòng)力學(xué)行為模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證進(jìn)而修正了數(shù)值模型．在此基礎(chǔ)上,分析了除冰液的非Newton特性和斜面坡度對(duì)撞擊行為過(guò)程的影響機(jī)制,結(jié)果如下:

1) 水滴撞擊傾斜除冰液液膜后,產(chǎn)生了非對(duì)稱的液冠,并且撞擊所帶來(lái)的剪切效應(yīng)引發(fā)了流體在不同位置處黏度的差異,這種由非Newton特性引發(fā)的不同區(qū)域黏度的變化,可能是導(dǎo)致液滴在撞擊傾斜液膜后呈現(xiàn)出非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)特征的原因之一;

2) 液冠的外壁區(qū)域含有更高濃度的除冰液成分,這表明在液冠的形成過(guò)程中存在除冰液被帶離液膜的情況,并且液滴內(nèi)部的水分受流體運(yùn)動(dòng)的影響從撞擊區(qū)域向液膜兩側(cè)擴(kuò)散,在兩者的耦合作用下液膜的黏度會(huì)進(jìn)一步降低;

3) 隨著斜面坡度的增加,液冠在上游的生長(zhǎng)受到抑制,而下游液冠半徑增大的趨勢(shì)則更加明顯,這表明高坡度減小了水滴對(duì)液膜上游的作用范圍,加快了下游除冰液的脫離,隨著水分在下游的積聚,導(dǎo)致液膜在下游的黏度大幅度降低．