流动介质在振动介面驱动下的非线性动力学特性

Subject to the continuous vibration of the elastic interface, the liquid/particles systems contacted with the elastic boundary can be driven to a large amplitude motion; this phenomenon has been extensive used in many fields of industry and scientific research, such as piezoelectric fan, vibration heat flow condenser, fluidized bed, the flow driving of micro-channel, etc. Combining with experimental, theoretical and numerical methods, this project aims to investigate the nonlinear dynamic characteristics of the flow of liquid/particles with interfaces subject to forced vibrations. By constructing the particles' constitutive relation, analyzing the critical condition of breaking the fluid motion continuity and using the method of classifying the layers of liquid/particles, the mechanics model of particles/liquid system is established. After solving boundary evolution and separation of connected domain, the discontinuous and nonlinear phenomena such as separating of particles and droplet splash are explained; the arbitrary Lagrangian-Eulerian method is used to numerically simulate the motion of the system, The mechanism of the vibrated interface drove liquid/particle apart is explored.

在持续振动的弹性介面作用下，与其接触的液体或颗粒体可以实现剧烈运动这一现象，在工业生产、科学研究领域有着广泛应用，如压电陶瓷电子扇、振动换热冷凝器、流化床、微细管道流驱动器等。该项目结合实验、理论和数值仿真等方法，研究流动介质在振动介面驱动下的非线性动力学特性。通过建立颗粒微团的‘本构关系’、分析流体运动连续性破坏的临界条件、介质分层的方法，建立颗粒或液体系统的力学模型。在求解系统连通区域边界的演化以及分裂状态的基础上，描述颗粒的脱离、液滴的飞溅等非连续、非线性现象；采用任意拉格朗日欧拉方法对系统进行数值仿真，探索振动条件影响液体以及颗粒运动的机理。

在振动介面作用下，液体或颗粒体可以实现剧烈运动，这一现象在工业以及科学研究领域有着广泛应用，如换热、微细管道流驱动等。该项目对振动介面激励下颗粒以及液滴的动力学行为进行了实验研究。应用低频机械振动、声圈振动装置以及高速显微摄像系统，一方面研究了微细颗粒在振动激励下的跳动、碰撞以及颗粒混合的规律, 找出了颗粒与振动介面的分离或“弹跳”的临界条件；另一方面研究了液滴和液池在振动介面作用下，自由表面的动力学行为以及液面破碎和细小液滴分离现象，分析了振动频率、振幅、驱动功率等对液滴表面振动液滴破碎、分离的影响。对不同体积、组分的固着微液滴进行了共振实验，利用图像处理技术分析了各阶共振响应的振型，基于实验数据，构建了基于微小柱形液体表面波传递的共振理论。基于液滴振动破碎实验结果，分析了破碎点处的动力学特性，确定了破碎过程中表面张力、激励力等作用力在对液滴破碎的影响。实验中发现了一种特殊的叠加态的液滴破碎现象，这种现象是液滴的一种不稳定振动模式，大量实验发现，在自由液面破裂局部，液滴的破碎过程满足一定的规律:1，在破裂部位形成凹坑，同时，周围会有凸起的大液泡;2，液泡回落，凹坑闭合并隆起形成液柱;3，液柱高速飞出，半径变细，长度增加，飞出过程中液柱的头部发生颈缩形成液键;4，液柱与头部在继续运动拉断液键形成细小液滴;5，破裂后的液柱落回液滴并消失，即：液滴飞溅经历一个凹坑—液柱—液键—细小液滴过程。