液滴撞击弹性悬臂梁行为的全拉格朗日数值方法

摘要

针对以往研究容易忽略弹性壁面变形对液滴撞击壁面的影响，以及传统网格方法在模拟自由表面大变形、弹性体耦合上易出现网格畸变等问题，提出了耦合移动粒子半隐式法(MPS)与离散单元法(DEM)的全拉格朗日液滴-弹性体相互作用数值方法。基于该方法，模拟了跳板效应、液滴反弹和铺展、板变形和振动等非线性现象，并通过与实验或理论解的对比，验证了方法的准确性。进一步探究了液滴撞击悬臂薄板的动态过程，分析了撞击速度和角度对液滴与薄板相互作用的影响。数值结果表明：悬臂梁末端最大偏移量随法向撞击速度呈线性增加，当液滴撞击角度θ≥90°时，接触时间随撞击角度的增加呈现先减小后增大然后再减小的趋势，当撞击角度θ<90°时，接触时间随撞击角度的增加呈现先增大后减小的趋势；液滴重心投影点的位置是影响液滴铺展系数与悬臂梁最大偏移量的主要因素，法向韦伯数相同的情况下，θ≥90°时的液滴铺展系数始终大于θ<90°的，而θ<90°时的悬臂梁最大偏移量始终大于θ≥90°的。该研究加深了对液滴撞击动力学的理解，可为涂层工艺和液滴传感技术等提供参考。

关键词

移动粒子半隐式法 / 离散单元法 / 液滴 / 弹性体

基金资助

国家自然科学基金资助项目（51922085）