基于Marangoni效应的液-液驱动铺展过程

液体表面的液滴运动在微流体和许多生物过程中具有广泛的应用前景.本文通过研究在液体基底上一种低表面张力液体对另一液体的驱动来理解Marangoni效应在自发驱动体系中的作用.为了研究液体驱动的液滴铺展过程,建立了以不易挥发性硅油作为驱动溶剂、正十六烷作为受驱动液滴,以及不同浓度的十二烷基硫酸钠溶液作为基底溶液的实验体系.通过对正十六烷液滴受驱动铺展动态过程的观察和研究,发现界面张力梯度对液体驱动的铺展起主导作用.实验结果表明:基底溶液浓度主要对正十六烷液滴的最大铺展半径存在影响.此外,用经典稳定性分析模型解释了正十六烷在受驱动铺展过程中由液柱破碎成小液滴的原因,同时得到了失稳特征参数最快不稳定波长与正十六烷液柱半径之间的关系.     

润湿性梯度驱动液滴运动的格子Boltzmann模拟

运用考虑了固体与液体间分子作用力的格子Boltzmann方法,数值研究了由于固液界面上表面张力梯度引起的Marangoni效应驱动的液滴运动.当表面张力梯度较小时,计算结果和前人的理论预测符合较好.而表面张力梯度较大时,由于液滴不变形和准平衡态等假设不再满足,理论预测的液滴运动速度高于数值模拟的结果.计算结果显示,在向亲水端运动过程中液滴内部出现旋涡结构,当润湿性梯度较大时,其前进速度和接触角随时间变化出现振荡. 关键词： 润湿性 格子Boltzmann方法 Marangoni效应 液滴     

不同液膜体系中Marangoni效应对活性剂液滴铺展的影响

针对含可溶性表面活性剂的液滴在预置液膜上的铺展过程,应用润滑理论建立液滴厚度、活性剂表面浓度及内部浓度演化过程的控制方程组,采用PDECOL程序模拟液滴的演化特征,探讨不同液膜体系下Marangoni效应的作用机理,并基于瞬态增长法分析负体系下液滴演化的不稳定性.研究表明,正体系下Marangoni效应可促进活性剂分子扩散,有利于活性剂液滴的稳定铺展;负体系下Marangoni效应则抑制液滴铺展,使液滴在中心区域产生振荡现象,呈现不稳定性特征,且该特征随负效应增强而愈加明显.在正负两种体系下,Marangoni作用力均是促使液滴横向演化的主要驱动力.     

倾斜粗糙壁面上含不溶性活性剂溶液的动力学特性

针对倾斜随机粗糙壁面上含不溶性活性剂溶液的流动过程, 采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度的时空演化模型, 通过PDECOL程序数值求解得到了液膜流/液滴铺展的动力学特性及壁面结构参数的影响. 研究表明: 在重力分量和Marangoni效应共同作用下, 液膜流/液滴铺展速度加快, 液膜边缘和液滴中心出现毛细隆起, 液膜/液滴底部出现凹陷, 同时受粗糙壁面影响, 液膜表面变形更显著. 增加壁面倾角θ具有使重力分量和Marangoni效应增强, 导致隆起和凹陷程度均有所增加的作用. 增大壁面高度D可使液膜流/液滴铺展速度加快, 表面变形放大. 而壁面波数k₀则使液膜流/液滴铺展过程减缓, 抑制隆起和凹陷产生. 与液膜流相比, D和k₀对液滴铺展速度的影响相对较小. 关键词： 随机粗糙壁面 液膜 Marangoni效应 倾斜流动     

平衡接触角对受热液滴在水平壁面上铺展特性的影响

壁面温度是影响壁面润湿性的重要外部条件. 为解决液滴铺展中三相接触线处应力集中问题, 已有研究多采用预置液膜假设, 但无法探究壁面温度对润湿性的影响. 本文针对受热液滴在固体壁面上的铺展过程, 基于润滑理论建立了演化模型, 通过数值模拟, 从平衡接触角角度分析了温度影响壁面润湿性及铺展过程的内部机理. 研究表明: 随温度梯度增大, 液滴所受Marangoni效应增强, 致使液滴向低温区的铺展速率加快; 铺展过程中, 位于高温区的接触线与液滴主体部分间形成一层薄液膜, 重力与热毛细力先后主导该区域的铺展; 当液-固或气-液界面张力对温度的敏感度高于另两个界面时, 低温区方向的平衡接触角不断增大, 使壁面润湿性恶化, 导致液滴铺展减慢; 而当气-固界面张力对温度的敏感度高于其他两个界面时, 低温区方向上的平衡接触角将减小, 由此改善壁面润湿性, 加快液滴铺展; 在温度影响壁面润湿性和液滴铺展过程中, 平衡接触角起关键作用.     

润湿性梯度驱动液滴运动的格子Boltzmann模拟

运用考虑了固体与液体间分子作用力的格子Boltzmann方法,数值研究了由于固液界面上表面张力梯度引起的Marangoni效应驱动的液滴运动.当表面张力梯度较小时,计算结果和前人的理论预测符合较好.而表面张力梯度较大时,由于液滴不变形和准平衡态等假设不再满足,理论预测的液滴运动速度高于数值模拟的结果.计算结果显示,在向亲水端运动过程中液滴内部出现旋涡结构,当润湿性梯度较大时,其前进速度和接触角随时间变化出现振荡.     

波纹基底上含不溶性活性剂液滴的铺展稳定性

针对波纹基底上含不溶性活性剂液滴的铺展历程, 采用润滑理论建立了液滴铺展数理模型, 推导出基态和扰动态下液膜厚度和活性剂浓度的演化方程组, 基于非模态稳定性理论分析了液滴铺展的稳定性及参数的影响规律. 研究表明: 扰动量在液滴中心及铺展前沿处很小, 在液膜最薄处达到最大值且活性剂浓度的负扰动现象比较明显; 扰动波数可增强液滴铺展稳定性, 但随扰动波数增加, 该稳定性逐渐下降甚至转变为不稳定. 增加 Marangoni数将导致液滴铺展不稳定性加剧; 增大基底高度具有增强液滴铺展稳定的作用, Peclet数和基底波数取适中值时有利于液滴铺展的稳定性. 关键词： 活性剂液滴 非平整基底 铺展 非模态稳定性     

固体表面液滴铺展与润湿接触线的移动分析

液滴在固体表面上的铺展行为与润湿特性对许多工业生产过程的研究具有重要意义.根据液滴在光滑表面上的受力情况,建立了液滴平壁铺展的动力学模型.应用润滑近似方法和二维Navier-Stokes方程,建立了液滴沿理想表面铺展的动量和连续性方程.根据建立的方程,应用数值解法求解并详细分析了液滴在铺展过程中膜厚、接触线铺展半径以及铺展速度随时间的变化关系.研究结果表明:液滴的铺展过程可分为扩展和收缩两个阶段,铺展过程伴随着表面能、动能以及各种势能的相互转化,液滴最终的铺展半径大小由固体基面固有的润湿特性所决定;液滴在铺展过程中出现的"坍塌效应"与弯曲液面处的Laplace压力差有关;铺展半径随时间变化的标定律近似满足"1/7"次方标度律.     

Pb液滴在Ni基底润湿铺展行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了Pb液滴在Ni(100)晶面、(110)晶面和(111)晶面的铺展润湿行为. 结果表明: Pb液滴在Ni(100)及(111)基底上的润湿铺展现象呈各向同性, 而在Ni(110)基底上的润湿铺展现象呈明显的各向异性, 且这种各向异性源于Ni(110)晶面点阵结构上Pb原子沿不同晶向的扩散机制及速度的明显差异; Pb液滴在Ni(111)晶面上铺展时, 未发生表面合金化, 液滴铺展动力学描述近似满足 R² ∝ t, 而液滴在(100)晶面和(110)晶面上铺展时表面产生合金化现象, 铺展动力学关系近似满足 R⁴ ∝ t, 且液滴在(100)晶面上的铺展速度高于(110)晶面上的铺展速度. 关键词： 分子动力学 润湿各向异性 铺展膜 扩散机制     

一个二维分段光滑映象中的边界激变

解析地讨论一个冲击振子模型中的边界激变特征,证明了这类分段光滑二维映象中激变的生 存时间标度律为τ-ε^-γ,而γ=ln|β₂|ln|β₁β2|(β₁,β₂分别是混沌吸引子吸引域边界上鞍点的不稳 定和稳定本征值),这与处处光滑二维映象中相应的规律完全不同. 关键词： 激变 分段光滑映象 生存时间标度律     

实验观测液滴撞击倾斜表面液膜的特殊现象

采用高速摄像仪以10000帧/s 的拍摄速度对液滴撞击倾斜表面液膜的过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击倾斜表面液膜后的铺展、水花形成以及飞溅等现象, 考察了撞击角对液滴震荡变形过程的影响; 在此基础上, 定量讨论了液滴铺展速度随时间的变化规律, 揭示了液滴撞击速度和撞击角对前、后铺展因子及初始铺展速度的影响.观测发现, 在撞击角为28.0°–74.7°范围内, 随着撞击角的减小, 液滴在液膜表面的震荡变形程度增大; 前铺展因子随撞击速度的增大而增大, 随撞击角的减小而增大; 后铺展因子随撞击速度的增大几乎不发生变化, 但是随撞击角的增大而增大; 液滴初始铺展速度随撞击速度和撞击角的升高而增大. 关键词： 液滴撞击 倾斜液膜 铺展因子 铺展速度     

基于格子Boltzmann方法的液液不混溶两相流动数值模拟

具有介观特性的格子Boltzmann方法能够准确方便地捕捉相界面细节,在两相流动领域具有广泛的应用前景.本文在简要介绍格子Boltzmann方法的基础上,利用格子Boltzmann方法的颜色模型对四类经典两相流动问题进行了模拟,界面张力的Laplace定律验证、单液滴松弛过程、两个液滴融合过程、水平通道内不混溶液液两相流动.结果表明,液滴界面张力符合Laplace定律;黏性越大,液滴松弛过程越稳定;界面张力越大,液滴融合速度越快;格子Boltzmann方法能够有效描述液液两相流动的界而信息。研究工作为应用格子Boltzmann方法分析两相流动问题奠定了理论基础.     

微纳间隙受限液体的界面黏着机理研究

利用球-盘接触黏着试验仪对微量受限液体的界面黏着行为的研究发现：临界体积范围内（皮升到纳升）的受限液滴达到临界厚度后将出现自动铺展和瞬时收缩行为（分别对应球-盘趋进和分离过程）,并同时提供一定幅值的法向黏着力及伴随出现力的突变;该界面黏着力与液滴体积、球的直径等相关,并很好地揭示了昆虫或树蛙爪垫与光滑表面间的湿黏着行为.在进一步试验的基础上,利用球—面接触模型的毛细黏着力公式对所观察到的试验现象进行了机理揭示,认为临界体积受限液滴出现的自动铺展和瞬时收缩行为与接触副的刚度相关,最大法向黏着力随液体体积的减小而减小,与接触副之间受限液体的中心区厚度有关.结合生物黏着爪垫进行了受限液体界面黏着控制机理的分析,可以指导仿生黏着爪垫的设计与控制. 关键词： 生物黏着爪垫 毛细黏着力 受限液体     

微管道内两相流数值算法及在电浸润液滴控制中的应用

叙述了一种模拟电介质电润湿(electrowetting on dielectric，EWOD)下的微液滴的运动的数值方法. 采用二阶投影法求解N-S方程和level set 函数，并利用零level set函数俘获液滴运动界面，在液体与固体接触的边界上，通过引入动态接触角表征电介质表面润湿性随电势的改变. 数值计算基于MAC网格，模拟了2维微管道内与固体壁面接触的变润湿性的两种液体的分界面形状、平板上的微液滴在不同电势作用下处于不同湿润性的形态，以及微管道内改变接触角液滴的运动变形过程等算例. 关键词： 电浸润 接触角 level set函数 投影法     

基于格子Boltzmann方法的液滴沿固壁铺展动态过程模拟

矿井喷雾降尘是利用水雾使粉尘润湿沉降的过程,考虑到固体与液体间分子作用力,本文采用格子Boltzmann方法对液滴沿固壁铺展的动力学行为进行了数值模拟,结果发现铺展直径及动态接触角随时间呈指数规律,确定了液滴表面张力与铺展最大直径间的关系,固壁润湿性对铺展最大速度值影响较大,这些与物理试验及文献结果符合良好. 进一步考察了疏水性强的固壁,发现当液滴表面张力足够小时,铺展接触角可以在90°以下,与理论公式符合. 研究发现铺展过程中伴随着振荡,且铺展到最大时液膜有回缩趋势. 关键词： 液滴 格子Boltzmann方法 铺展 数值模拟     

液滴撞击液膜过程的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法对液滴撞击液膜过程进行了研究, 主要考察了雷诺数(Re)、韦伯数(We)、相对液膜厚度 (h) 以及表面张力 (σ) 等物理参数对界面运动过程的影响. 首先, 随着Re数和We数的增加, 可以明显观察到液滴撞击液膜过程中形成的皇冠状水花以及卷吸现象; 当Re数较大时, 液体会发生飞溅, 由液体飞溅形成的小液滴则会继续下落, 并与液膜再次发生碰撞. 其次, 当相对液膜厚度较小时, 液滴撞击液膜并最终导致液膜断裂; 然而随着相对液膜厚度的增大, 尽管撞击过程溅起的液体会越来越多, 但是液膜并不会发生断裂. 再次, 随着表面张力的增大, 界面变形阻力增大, 撞击过程中产生的界面形变也逐渐减弱. 最后还发现皇冠(由液滴溅起形成)半径r 随时间满足r/(2R) ≈ α√Ut/(2R), 这一结果与已有结论是一致的.     

三维X-Y模型的滞后标度和动态相变行为

采用Monte Carlo方法对3DX-Y模型进行数值模拟计算，研究了在非线性外场驱动下3DX-Y模 型的滞后标度和动态相变.得出了滞后标度关系为Area～h^α₀ωβ(1-T/T_c)^γ， 其中α=0.57，β=0.34，γ=0.90.发现其动态相变行为在一定的临界参数条件下，初始短周 期(周期数PN≤10)内的结果具有与Ising模型类似的对称性破缺；但在长周期内(PN≥200)的 结果则明显区别于Ising模型而与Heisenberg模型相近，也即无稳定动态有序铁磁相的存在. 关键词： X-Y模型 滞后标度 动态相变 Monte Carlo方法     

微间隙受限液体行为与昆虫爪垫在光滑壁面的粘着机理

自然界中许多昆虫通过分泌一层油性液体薄膜实现其爪垫表皮和光滑壁面之间粘附和解粘附,从而实现在光滑壁布的快速爬行.为了提示昆虫爪垫与光滑壁面间微量液体薄膜对生物粘着的意义,基于自行研制的粘着接触实验仪,采用微量的[emim[Tf2N]离子液体和聚α烯烃油,观测其受限在纳米级光滑钢球表面与玻璃表面之间的接触行为以及法向粘着力.实验发现,临界体积(10^-12—10^-9L)范围内的受限液滴达到临界厚度（小于2μm）后会出现自动铺展和瞬时收缩行为，并同时提供幅值稳定且数值 关键词： 受限液体 粘着力 昆虫爪垫 类固化     

受限胶体液滴蒸发过程中胶体颗粒沉积过程观察

亲水玻璃基片在掩模板的保护下, 通过喷涂超疏水层, 得到了被疏水层包围的圆形亲水区域. 胶体液滴在这一区域被很好地限制, 并且液滴体积可以在较大范围内变化, 体积的变化可以改变液滴与基片的表观接触角. 通过显微观察手段原位观察了表观接触角为疏水的受限胶体液滴蒸发过程中粒子沉积行为. 在整个蒸发过程中, 受限液滴边界被钉扎在亲疏水交界处. 粒子沉积过程中, 驱动粒子的液滴内部流动会发生变化. 粒子沉积图案形成过程由三种流体行为控制, 最初, Marangoni效应占主导作用, 驱动粒子在液滴表面聚集, 随之沉积到液滴边缘; 随着蒸发进行, 当接触角变小(<60°)时, 由于边界蒸发速度更快导致的毛细补偿流使得粒子直接向边界沉积. 在干燥的最后阶段, 亲水区域内的液层变得很薄, 只有一单层粒子存在于这一薄液层中, 蒸发继续进行时, 薄液层发生失稳使得粒子迅速聚集而形成网络化图案, 由于粒子间距变小, 球间的液桥毛细力也会参与到这一聚集过程中.     

沉积在液体衬底上连续铝薄膜的微观结构

研究了沉积在硅油衬底表面的连续铝薄膜的微结构及其表面形貌.与沉积在单晶硅表面的铝薄膜相比,两种铝薄膜均属颗粒结构,但硅油表面的铝薄膜具有颗粒尺寸较小、大小不均匀,表面起伏较大等特点,而且在该铝薄膜边缘的下表面,有一明显的波纹状楔型结构,其斜率仅为10^-4—10^-5.实验结果表明：这一现象是由于液体衬底的热膨胀行为引起的.此外对样品的晶态也进行了研究. 关键词： 铝薄膜 液体衬底 微观结构