纵向偏心的空心液滴撞击小圆柱体的数值研究

doi:10.7523/j.ucas.2025.048

摘要/Abstract

摘要：

对气泡纵向偏心的空心液滴撞击超疏水小圆柱的动力学行为进行数值模拟研究。根据液滴在撞击过程中经历的拓扑结构变化，确定了4种典型的撞击模式：直接反弹、破裂回缩、连续破裂和顶部破裂。分析这些模式间的转变与韦伯数和气泡偏心比等无量纲参数的关系，并讨论不同模式下液滴的铺展比、速度、动能等关键物理量随时间的变化规律。进一步的定量分析表明，在所考察的参数范围内，空心液滴在撞击过程中的最大铺展比是气泡纵向位置的非单调函数；对于相对较大的韦伯数，较小的气泡偏心程度更有利于液滴的铺展。此外，液滴破裂的无量纲时间与气泡偏心比近似呈线性关系，与韦伯数大小的关联性较弱。

关键词: 空心液滴, 气泡偏心, 液滴撞击, 拓扑结构变化

Abstract:

This paper presents a direct numerical simulation study of the effect of bubble vertical eccentricity on the behavior of a hollow droplet impacting on a super-hydrophobic cylindrical target. Based on the topological changes the droplet undergoes during impact， four typical regimes are identified： direct rebound， breakup-retraction， continuous breakup， and top breakup. The transitions between these regimes are analyzed in relation to the dimensionless parameters including the Weber number and bubble eccentricity ratio. Furthermore， the temporal evolution of key physical quantities， such as the spreading ratio， velocity， and kinetic energy， is discussed for each regime. Quantitative analysis further reveals that， the maximum spreading ratio of the hollow droplet during impact is a non-monotonic function of the bubble’s vertical position within the range of parameters considered. For relatively large Weber numbers， a smaller degree of bubble eccentricity facilitates droplet spreading. On the other hand， the dimensionless rupture time demonstrates an approximately linear relationship with the bubble eccentricity ratio， while exhibiting only a weak correlation with the Weber number.

Key words: hollow droplet, bubble eccentricity, droplet impact, topological change

中图分类号:

TK124

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图/表 7

图1 初始条件及相关参数

Fig.1 Initial setup and relevant parameters

图2 不同ξ下的空心液滴被圆柱边缘切断瞬间的气液界面形状

Fig.2 Gas-liquid interface shapes of hollow droplets under different eccentricities at the moment the droplet is cut off

图3 偏心空心液滴撞击的4种典型模式

Fig.3 Four typical regimes of the eccentric hollow droplet impact dynamics

图4 We-ξ参数空间中4种典型碰撞模式的相图

Fig.4 Phase diagram of four typical regimes in the parameter space spanned by We and ξ

图5 关键物理量随时间的变化

Fig.5 Key physical quantities as function of time

图6 不同We条件下液滴最大铺展比随ξ的变化

Fig.6 Variation of the maximum spreading ratio withξ at different We values

图7 不同We条件下液滴破裂时间tc*随ξ的变化

Fig.7 Variation of droplet breaking time tc* with ξ at different We values

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