液滴碰撞不同接触角线缆表面的模拟

doi:10.19596/j.cnki.1001-246x.8717

摘要/Abstract

摘要：

针对常见的液滴输电线缆搭建对应的计算模型, 通过Fluent内置的VOF对不同疏水性表面进行计算, 讨论液滴与线缆的接触时间、铺展半径与接触角度之间的关系, 并分析不同接触角下液滴的压力云图和速度矢量图。模拟计算结果显示: 液滴与壁面接触的运动状态受壁面接触角的影响, 液滴铺展面积和接触时间与壁面接触角呈反比关系; 提高壁面接触角会降低铺展面积、减少接触时间, 加快液滴的回缩、回弹, 运动液滴最终滑落离开壁面; 小接触角壁面铺展面积增大、接触时间增加, 液滴最终完全铺展停留于壁面上。研究结果对探究不同疏水性下液滴在线缆壁面结冰的原理及特性具有一定的指导和参考意义。

关键词: 液滴碰撞, 数值模拟, 防冰, 多相流

Abstract:

Icing of transmission lines will have a negative impact on the safety of line operation and human production and life. The research on anti-icing has gradually developed from the early active anti-icing to the present passive anti-icing, but the passive anti-icing research mostly stays on the improvement of hydrophobicity without in-depth exploration of its anti-icing principle. For common droplet transmission cables, the corresponding calculation model is built. The relationship between the contact time, spreading radius and contact angle between droplet and cable is discussed by using the built-in VOF of Fluent to calculate different hydrophobic surfaces, and the pressure nephogram and velocity vector diagram of droplet under different contact angles are analyzed. The simulation results show that the motion state of the droplet contact with the wall is affected by the wall contact angle, and the spread area and contact time of the droplet are inversely proportional to the wall contact angle. Increasing the wall contact angle will reduce the spread area, reduce the contact time, accelerate the droplet retraction and rebound, and the moving droplet will eventually slide off the wall. The spread area of the wall surface with small contact angle increases and the contact time increases. The droplet finally spreads completely and stays on the wall surface. These results have certain guidance and reference significance for exploring the principle and characteristics of droplet icing on cable wall under different hydrophobicity.

Key words: droplet collision, numerical simulation, anti-icing, multiphase flow

中图分类号:

O359

淮继茹, 王鹏, 杨梦宇. 液滴碰撞不同接触角线缆表面的模拟[J]. 计算物理, 2024, 41(3): 298-307.

Jiru HUAI, Peng WANG, Mengyu YANG. Simulation of Droplet Impact on Cable Surfaces with Different Contact Angles[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2024, 41(3): 298-307.

图/表 12

图1 相体积分数(a) 数字表示；(b) 界面表示

Fig.1 Phase volume fraction (a) numerical representation; (b) interface representation

图2 计算区域

Fig.2 Calculation area

图3 计算区域网格划分

Fig.3 Calculate area meshing

表1 不同网格尺寸下的节点及单元数

Table 1 The number of nodes and cells under different mesh sizes

加密区域网格尺寸/mm	总网格数/10⁴	结果偏差/%
0.5	6.3	5.56
0.2	7.8	4.73
0.1	16.8	4.02
0.05	75.0	3.46
0.02	928.5	3.24

表2 XLPE的物理及热学性能

Table 2 Physical properties and thermal properties of XLPE

密度/(kg·m^-3)	泊松比	弹性模量/(MPa)	比热容/(J·(kg·K)^-1)	热传导/(W·(m·K)^-1)	热膨胀系数/(℃^-1)
9.55 × 10²	0.47	800	2 300	0.47	1.5 × 10^-4

表3 液态水和空气的物性参数表

Table 3 Physical properties of liquid water and air

材料	密度/(kg·m^-3)	表面张力/(N·m^-1)	粘度/(kg·(m·s)^-1)	比热容/(J·(kg·K)^-1)	热导率/(W·(m·K)^-1)
液态水	9.982 × 10²	0.071 940 4	0.001 003	4 182	0.6
空气	1.225		1.789 4 × 10^-5	1 006.43	0.024 2

图4 线缆与水滴相对位置

Fig.4 Relative positions of cables and water droplets

图5 计算结果与实验结果[26-28]

Fig.5 Results of calculation Exp.[26-28]

图6 形态变化过程

Fig.6 Morphological change process

图7 液滴铺展半径

Fig.7 Spreading radius of droplets

图8 压力云图(a) 接触角35°；(b) 接触角115°；(c) 接触角165°

Fig.8 Pressure cloud diagram (a) contact angle 35°; (b) contact angle 115°; (c) contact angle 165°

图9 速度矢量图(a) 接触角35°；(b) 接触角115°；(c) 接触角165°

Fig.9 Velocity vector diagram (a) contact angle 35°; (b) contact angle 115°; (c) contact angle 165°

参考文献 31

1	李宁, 周羽生, 邝江华, 等. 输电线路除冰技术的研究[J]. 防灾科技学院学报, 2008, 10 (3): 33- 37. DOI
2	MAO T , KUHN D C S , TRAN H . Spread and rebound of liquid droplets upon impact on flat surfaces[J]. AIChE Journal, 1997, 43 (9): 2169- 2179. DOI
3	RANGE Kai , FEUILLEBOIS F . Influence of surface roughness on liquid drop impact[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1998, 203 (1): 16- 30. DOI
4	ŠIKALO Š , MARENGO M , TROPEA C , et al. Analysis of impact of droplets on horizontal surfaces[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2002, 25 (7): 503- 510. DOI
5	ŠIKALO Š , TROPEA C , GANIĆ E N . Impact of droplets onto inclined surfaces[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2005, 286 (2): 661- 669. DOI
6	ŠIKALO Š , TROPEA C , GANIĆ E N . Dynamic wetting angle of a spreading droplet[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2005, 29 (7): 795- 802. DOI
7	ŠIKALO Š , GANIĆ E N . Phenomena of droplet-surface interactions[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2006, 31 (2): 97- 110. DOI
8	张海翔, 郝鹏飞, 何枫, 等. 超疏水圆柱表面上液滴的碰撞特性研究[C]//第十届全国流体力学学术会议论文摘要集. 杭州: 中国力学学会流体力学专业委员会, 2018: 106.
9	MISHCHENKO L , HATTON B , BAHADUR V , et al. Design of ice-free nanostructured surfaces based on repulsion of impacting water droplets[J]. ACS Nano, 2010, 4 (12): 7699- 7707. DOI
10	LI Hai , ROISMAN I V , TROPEA C . Influence of solidification on the impact of supercooled water drops onto cold surfaces[J]. Experiments in Fluids, 2015, 56 (6): 133. DOI
11	隋涛, 蒋亮, 汪家道, 等. 液滴碰撞固体壁面的铺展特征研究[J]. 润滑与密封, 2011, 36 (7): 9- 13. DOI
12	郑志伟, 李大树, 仇性启, 等. 液滴碰撞球形凹曲面复合level set-VOF法的数值分析[J]. 化工学报, 2015, 66 (5): 1667- 1675.
13	徐爽, 赵宁, 王春武, 等. 低速下水滴撞击固体表面运动模拟[J]. 航空动力学报, 2013, 28 (3): 695- 700.
14	BRIONES A M , ERVIN J S , PUTNAM S A , et al. Micrometer-sized water droplet impingement dynamics and evaporation on a flat dry surface[J]. Langmuir, 2010, 26 (16): 13272- 13286. DOI
15	李子丰, 杨宁. 模拟射流雾化过程的VOF-LPT耦合方法[J]. 计算物理, 2022, 39 (4): 440- 452. DOI
16	张屹, 刘西霞, 史如坤, 等. 基于Level-Set方法的小孔及熔池动态形成数值模拟[J]. 焊接学报, 2016, 37 (4): 29- 34.
17	YAN Yuying , GAO Nan , BARTHLOTT W . Mimicking natural superhydrophobic surfaces and grasping the wetting process: A review on recent progress in preparing superhydrophobic surfaces[J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2011, 169 (2): 80- 105. DOI
18	王健生, 钟易成. VOF在两相流交界面捕捉的应用[J]. 机械制造与自动化, 2021, 50 (6): 129- 134.
19	赵西增, 叶洲腾. 液面冲击引起液滴飞溅问题的CIP方法数值模拟[J]. 计算物理, 2016, 33 (1): 39- 48. DOI
20	PALANI K C , RAJAGOPAL D . Numerical modelling of dry-out in pulsating heat pipe using VOF model[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2022, 36 (8): 4279- 4287. DOI
21	柳建, 陈军, 李建, 等. 5×5棒束CFD模拟计算域和网格标准[J]. 计算物理, 2018, 35 (4): 451- 457. DOI
22	付纹畅. 基于流变学的XLPE电缆绝缘交联度在线测试系统的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2021.
23	张峻豪, 张晓龙, 高鹏, 等. 基于VOF的输电线路疏水性防覆冰研究[J]. 材料保护, 2022, 55 (10): 88- 96.
24	WENZEL R N . Resistance of solid surfaces to wetting by water[J]. Industrial and Engineering Chemistry, 1936, 28 (8): 988- 994. DOI
25	CASSIE A B D , BAXTER S . Wettability of porous surfaces[J]. Transactions of the Faraday Society, 1944, 40, 546- 551. DOI
26	杨宝海, 朱恂, 王宏, 等. 不同直径液滴撞击亲水壁面动态特性实验研究[J]. 工程热物理学报, 2014, 35 (1): 91- 94.
27	王程遥, 张魏, 彭程. 液滴撞击疏水球面的高速可视化实验研究[J]. 上海电力大学学报, 2022, 38 (6): 533- 538. DOI
28	龚彦辉, 李佳城, 陈飞飞, 等. 试论电力线路覆冰机理及融冰技术[J]. 通讯世界, 2018, (7): 133- 134.
29	王习文, 叶学民, 李丹, 等. 大液滴撞击不同润湿性小球的三维LBM模拟研究[J/OL]. 计算物理: 1-12[2023-07-15]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2011.o4.20230313.1643.002.html.
30	童嘉铭, 李春曦, 苏浩哲, 等. 液滴在非互溶大黏度比液体表面的铺展特性[J]. 计算物理, 2022, 39 (3): 318- 326. DOI
31	郑海坤, 常士楠, 赵媛媛. 超疏水/超润滑表面的防疏冰机理及其应用[J]. 化学进展, 2017, 29 (1): 102- 118.

[1]	胡少亮, 徐小文, 安恒斌, 徐然, 范荣红. 应用特征驱动的并行数值代数解法器JPSOL[J]. 计算物理, 2024, 41(1): 110-121.
[2]	王少椿, 付铄然, 郭凌空, 唐志淏, 张娜, 孙乾. 基于模拟有限差分法的水驱油藏渗透率时变数值模拟[J]. 计算物理, 2023, 40(5): 597-605.
[3]	察鲁明, 冯其红, 王森, 徐世乾, 刘高文, 黄文欢. 基于虚拟单元法及损伤模型压驱注水数值模拟方法[J]. 计算物理, 2023, 40(1): 81-90.
[4]	刘利, 牛胜利, 朱金辉, 左应红, 谢红刚, 商鹏. 临近空间核爆炸碎片云运动的数值模拟[J]. 计算物理, 2022, 39(5): 521-528.
[5]	吴丽媛, 张素英. 自旋相关光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚体的基态[J]. 计算物理, 2022, 39(5): 617-623.
[6]	李子丰, 杨宁. 模拟射流雾化过程的VOF-LPT耦合方法[J]. 计算物理, 2022, 39(4): 440-452.
[7]	杜旭林, 程林松, 牛烺昱, 陈玉明, 曹仁义, 谢永红. 考虑水力压裂缝和天然裂缝动态闭合的三维离散缝网数值模拟[J]. 计算物理, 2022, 39(4): 453-464.
[8]	孙梦营, 马明, 过海龙, 姚孟君, 徐猛, 张莹. 零重力点热源马兰戈尼FTM数值模拟[J]. 计算物理, 2022, 39(2): 191-200.
[9]	赵腾飞, 张华. 气泡碰撞过程中形变及破碎现象分析[J]. 计算物理, 2022, 39(1): 41-52.
[10]	关富荣, 李成乾, 邓敏艺. 激发介质相对不应态对螺旋波动力学行为的影响[J]. 计算物理, 2021, 38(6): 749-756.
[11]	王俊捷, 寇继生, 蔡建超, 潘益鑫, 钟振. 基于Tolman长度的Lucas-Washburn渗吸模型改进及数值模拟[J]. 计算物理, 2021, 38(5): 521-533.
[12]	杨展康, 牛奕. 温度及围护通风对独头巷道氡浓度分布的影响[J]. 计算物理, 2021, 38(4): 456-464.
[13]	梁佳, 高明, 陈露, 王东民, 章立新. 液滴撞击不同湿润性固壁面上静止液滴的格子Boltzmann研究[J]. 计算物理, 2021, 38(3): 313-323.
[14]	胡少亮, 徐小文, 郑宇腾, 赵振国, 王卫杰, 徐然, 安恒斌, 莫则尧. 系统级封装应用中时谐Maxwell方程大规模计算的求解算法:现状与挑战[J]. 计算物理, 2021, 38(2): 131-145.
[15]	牛霄, 倪国喜, 马文铧. 自适应多分辨率方法在反应多相流数值模拟中的应用[J]. 计算物理, 2020, 37(6): 639-652.