摘要
颗粒与气液界面相互作用是一种常见的物理现象，该过程广泛存在于日常生活、工业应用、海洋和军事等领域中。微粒径下，颗粒与界面接触后附近流体Re较小，颗粒受液面表面张力效应增加。同时，当颗粒表面曲率变化时，液体属性和颗粒表面曲率共同作用会使颗粒运动状态发生变化。深入研究微米椭球颗粒接触液面作用，扩展现有微颗粒与气液界面的内容，预测颗粒行为，有利于理解和解释非球形颗粒与气液界面的作用机理，为医药、化工等精密领域研究提供帮助。 为此，基于CFD建立了该过程数学模型，通过与实验对比，验证了模型的准确性，主要研究分析了椭球颗粒与界面作用的作用机制和行为预判。对于颗粒垂直入水，分别讨论了椭球沉没情况下，受力变化、累计功等重要参数。基于颗粒运动方程和能量变化，推导了椭球颗粒沉没时间和临界预判表达式。通过模拟得到的数据，对表达式进行修正，得到能够预测不同椭球形状、不同颗粒初始速度下的沉没时间和临界预判模型。对于倾斜入水，研究了不同椭球倾斜入水的运动模式，自旋和受力变化，并探究椭球形状对颗粒倾斜入水临界沉没的影响。对于垂直出水研究，分析了典型微米颗粒逃逸过程受力变化，分别讨论了颗粒和液体界面属性对颗粒运动模式、气液界面的演化和受力的影响。本文研究主要结果: 一、微米椭球颗粒入水时 1）椭球形状Ar主要通过影响颗粒受到的表面张力作用影响颗粒沉没行为。随着颗粒由扁椭球逐渐变化为长椭球，Ar对颗粒沉没的影响逐渐增加，椭球受到的Wf占总功的比值逐渐增加。其中，Ar增加主要减弱了整个过程中表面张力做功，冲击阶段表面张力负功与空腔发展段正功相抵消，使得颗粒受到表面张力的阻碍运动效果逐渐减弱。 2）研究参数范围内，颗粒的沉没时间tp随速度增加逐渐减小，随颗粒形状增加沉没时间在较小的范围内变化，并呈现减小后趋于稳定的趋势。 3）θ=90-150°时颗粒临界沉没的运动轨迹、速度变化和受力变化均具有相似性。当θ=170°时，颗粒由于强疏水性会产生空腔坍塌现象。对于Ar＜1的扁椭球颗粒，疏水性增加后颗粒可能不会有沉没现象。对于扁椭球颗粒，随着Ar的增加颗粒接近圆球，相同θ下Ar对颗粒临界沉降影响逐渐减小。扁椭球Ar=0.5时，颗粒的Ar变化对于颗粒临界沉降的影响最显著。 一、微米椭球颗粒出水时 1）微米颗粒出水时存在三个运动变化明显的阶段，即液膜形成阶段、液膜减薄和液膜破碎段。在液膜形成和液膜减薄阶段，颗粒受到的阻力主要是由于颗粒上升过程中压力的分布不均，即颗粒阻力主要为压差助力的作用。液膜破碎后，颗粒上方的液体脱离了液面，此后颗粒受到的阻力主要为顺压区的压差阻力影响，颗粒收到的总的外力突然增加。 2）当界面σ发生变化时，微米颗粒出水过程中，较大的σ会存在两个作用效果相反的影响效应。一、在液膜形成和减薄阶段，较大的σ会使颗粒速度衰减增加，阻碍颗粒冲出水面，二、较大的液面拉力会加快液膜在颗粒表面脱落。 3）对于Ar＞1长椭球，在液膜减薄段，颗粒较小的迎风面积使得颗粒受到的平均阻力减小。对于长椭球，液膜减薄段持续时间的减小和较小的的平均阻力，共同作用使得长椭球颗粒更加容易摆脱液膜完全出水。
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