分离压和表面黏度的协同作用对液膜排液过程的影响

针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,在考虑分离压作用的前提下,引入随活性剂浓度变化的表面黏度模型,应用润滑理论建立了液膜厚度、活性剂浓度和液膜表面速度的演化方程组,通过数值计算分析了常表面黏度和变表面黏度情形下的液膜演化特征.结果表明:表面黏度是影响液膜排液过程的重要因素,当不考虑表面黏度时,液膜表面呈"流动"模式,反之呈"刚性"模式,且随表面黏度增加,液膜排液速率明显减缓.分离压对"黑膜"的形成至关重要,分离压单独作用时,其形成的"黑膜"长度较短,而只考虑表面黏度时,则不能形成稳定的"黑膜".而在二者协同作用下,液膜中部形成了向下扩展、厚度很薄但非常稳定的"黑膜",且"黑膜"厚度、出现时间均随表面黏度的增大而增加.当考虑活性剂浓度对表面黏度的影响时,表面速度受此影响显著;在形成"黑膜"长度及出现时间方面与相应常表面黏度的情形基本类似,但其"黑膜"厚度小于相应常表面黏度,故在液膜排液过程中更容易发生失稳.     

活性剂浓度分布对液膜排液过程的影响

针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,考虑分离压和表面黏度的作用,应用润滑理论建立液膜厚度、活性剂浓度和表面速度的控制方程组,分析初始活性剂浓度及梯度对排液过程的影响.结果表明：当液膜表面不含活性剂时,其排液历程很短,很快发生破断.当液膜表面添加活性剂时,可以延长液膜存续时间.而当液膜表面活性剂浓度较低时,其诱发的Marangoni效应不足以克服重力的排液作用,其形成的"黑膜"不能稳定存在.随活性剂浓度增大,液膜表面流动速度减小,液膜表面更加"坚固",所形成的"黑膜"非常稳定.当考虑初始活性剂浓度梯度时,其影响主要体现在减缓排液初期的表面速度.     

表面弹性对含可溶性活性剂垂直液膜排液的影响

针对含可溶性活性剂的垂直液膜排液过程,在考虑表面弹性作用的基础上,采用润滑理论建立了液膜厚度、表面速度、表面和内部活性剂浓度的演化方程组,通过数值计算分析了表面弹性和活性剂溶解度耦合作用下的液膜演化特征.结果表明：表面弹性是影响可溶性活性剂垂直液膜排液过程中必不可少的因素.排液初期,随表面弹性增加,液膜初始厚度增大,表面更趋于刚性化.随排液进行,弹性不同的液膜呈现不同的典型排液特征：当弹性较小时,液膜上部表面张力高,下部表面张力低,产生正向的马兰戈尼效应,与重力作用相抗衡.当弹性较大时,膜上部表面张力低,下部表面张力高,产生逆向的马兰戈尼效应,促使液膜排液加速,更易发生失稳.活性剂溶解度通过控制液膜表面的活性剂分子吸附量,进而影响表面弹性：当活性剂溶解度较大时,液膜厚度较小,很快发生破断;随溶解度降低,液膜稳定性增加,初始表面弹性也随之增大,并随液膜变薄逐渐接近极限膨胀弹性值.     

随活性剂浓度变化的分离压对垂直液膜排液过程的影响

针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,基于文献实验结果进一步完善了受活性剂浓度影响的分离压(disjoining pressure)模型,应用润滑理论建立了液膜厚度、活性剂浓度和液膜表面速度的演化方程组,通过数值计算分析了在不同分离压作用下含不溶性活性剂液膜的演化特征.结果表明,垂直液膜的排液过程通常经历两个阶段:首先是厚膜阶段,此时重力对排液过程起主导作用.在随后的薄膜阶段,毛细作用和分离压作用影响逐渐增大,其中分离压将控制液膜的演化历程.分离压对垂直液膜排液过程的影响与活性剂类型及活性剂浓度与静电作用力的关联强度密切相关.当分离压与活性剂浓度正相关时,随斥力关联系数α增大,液膜的排液和变薄过程得以减缓,由此增强了液膜稳定性;当分离压与活性剂浓度负相关时,随斥力关联系数α绝对值增大,液膜排液过程加速,由此加大液膜失稳的风险.     

连续凹槽基底对含非溶性活性剂薄液膜流动特性的影响

针对连续凹槽基底上含非溶性活性剂液膜的流动过程, 采用润滑理论建立了液膜厚度和活性剂浓度演化模型, 利用PDECOL程序数值模拟得到了液膜流动的动力学特征及基底结构参数的影响. 研究表明: 活性剂液膜流经连续凹槽时, 负向台阶处形成凹陷, 正向台阶处形成隆起, 且随时间逐渐增大; 与平整基底相比, 连续凹槽下的活性剂液膜铺展速度加快; 基底凹槽的高度增加或斜度减小可加速液膜破断的可能性; 增大凹槽宽度可促进液膜流动; 减小斜度会使液膜进入第一凹槽前形成隆起特征; 重力在液膜的爬坡和下坡过程中具有相反的作用, 但均使得流动稳定性变差; 分子间作用力形成的结合压可加速液膜流动, 进而引发去湿润现象, 分离压则与之相反. 关键词： 活性剂液膜 非平整基底 铺展 分子间作用力     

垂直排液过程不稳定性的数值模拟

为分析线框排液实验中液膜表面出现的不稳定现象及其成因,针对含有不溶性活性剂的线框液膜排液过程,模拟液膜底部的不稳定现象,分析Marangoni效应、膨胀黏性和扰动波数因素的影响。结果表明：底部扰动在排液开始比较剧烈,而后快速减弱,到排液后期又逐渐增强。排液开始的扰动是由初始扰动引起,而排液后期的扰动与活性剂分布有关。较弱的Marangoni效应可增强表面扰动,而较强的Marangoni效应则减弱底部扰动,使液膜呈刚性,发生表面逆流现象;较高的膨胀黏性减慢液膜排液进程,降低表面速度,且能抑制Marangoni效应引起的逆流现象;波数较大的扰动使液膜在排液初期的扰动变强,但对排液后期的稳定性不产生影响。     

含活性剂液膜去润湿演化的稳定性特征

针对含非溶性活性剂的液膜在固体基底上的去润湿过程,基于润滑理论建立了基态和扰动态下液膜厚度和表面活性剂浓度的演化模型,应用非模态理论分析了演化过程的稳定性特征,探讨了分子间力对液膜去润湿过程的影响. 研究表明,微扰动波的引入（k=1）有利于液膜去润湿过程的稳定进行,扰动能量逐渐衰减,然而,该效果随着扰动波数的增加而显著改变,k ≥ 2时,液膜演化的稳定性反而恶化,扰动能量被逐步放大,演化呈现出非稳定特征. 增大初始液膜厚度可以有效改善液膜流动的稳定性. 范德华力放大了液膜表面的微扰动,使得液膜演化的稳定性下降;相反,Born斥力和静电斥力具有增强去润湿稳定性的作用. 关键词： 活性剂 去润湿 分离压 稳定性     

微干涉测量技术研究液膜的楔压和液膜厚度的关系

报道了直接测定楔压等温线的方法,研究了阳离子表面活性剂ＴＴＡＢ在浓度大于ＣＭＣ时,液膜的平衡厚度与楔压的关系,以及膜表面张力与溶液表面张力之间的差别。结果显示,在低楔压时,膜厚随楔压增加而变薄,在高楔压时,随着楔压的增加,膜厚变化很小。由楔压等温线得出的膜表面张力的结果说明了一般黑膜的表面张力数值与溶液的表面张力并没有明显的差别。     

凹槽基底上含不溶性活性剂液膜的流动特性

针对凹槽基底上含不溶性活性剂液膜的流动过程,采用润滑理论建立液膜厚度和浓度演化模型,通过数值模拟得到液膜的流动特性及相关参数的影响规律.研究表明:含不溶性活性剂液膜在凹槽基底上流动时,重力和活性剂浓度梯度引起的Marangoni力对液膜的流动起促进作用,表面活性剂通过引起表层液体流动进而牵引内部液体运动,但其作用力相对重力较弱,重力起主导作用;与基底尺寸有关的粘性力则起阻碍作用;提高邦德数G和减小毛细力数C具有减弱液膜变形的作用;增大凹槽高度或减小凹槽斜度,均使Marangoni力增加,促使液膜变形加大.     

含表面活性剂液膜去湿过程的数值模拟

对存在壁面滑移的含非溶性表面活性剂薄液膜在固体表面的去湿过程,采用PDECOL程序对描述其演化过程的液膜厚度和表面活性剂浓度方程组进行数值求解.基于液膜表面扰动波形的变化,分析各参数对去湿特性及液膜稳定性的影响规律.研究指出:Marangoni数M较小时其效应使液膜失稳区缩短,而M较大时液膜失稳区间无限延伸,稳定性降低;毛细力数减小使液膜失稳区间缩短,减至一定程度后可有效抑制去湿现象的发生;滑移效应对演化过程的影响与M有关,M较小时滑移使液膜失稳区间缩减,使扰动增长率增大,M较大时这一影响并不显著;随平衡液膜厚度增大,液膜表面的扰动程度减小,但扰动区间显著增大.相对于外源性表面活性剂而言,内源性情形的失稳区间更小,液膜稳定性更强.     

基于微肋管的微沟槽表面薄液膜沸腾理论模型

本文提出了基于微肋管的薄液膜蒸发沸腾的输运现象数学模型及其有限差分求解方法。数值模拟结果表明,在蒸发扩张半月形液膜中,非蒸发液膜区域液膜形状主要取决于分子膨胀压力;在薄液膜区域与非蒸发区域的连接处存在着一个强烈的蒸发点,这是膨胀压力和表面张力共同作用的结果;在本征半月形液膜区域压力梯度几乎完全取决于表面张力,因而在该区域内液膜形状可以假定为圆弧形状。     

Effect of nanofluids on thin film evaporation in microchannels

A thin film evaporation model based on the augmented Young–Laplace equation and kinetic theories was developed to describe the nanofluid effects on the extended evaporating meniscus in a microchannel. The nanofluid effects include the structural disjoining pressure, a thin porous coating layer at the surface formed by the nanoparticle deposition and the thermophysical property variations compared with the base fluid. The results show that the nanofluid thermal conductivity enhancement mainly due to the Brownian motion tends to greatly increase the liquid film thickness and the thin film heat transfer. The structural disjoining pressure effect tends to enhance the nanofluid spreading capability and the thin film evaporation. The nanoparticle-deposited porous coating layer improves the surface wettability while significantly reducing the thin film evaporation with increasing layer thickness due to the thermal resistance across this layer. The nanofluid thermal conductivity enhancement together with the structural disjoining pressure effect can not counteract the thermal resistance effects of the porous coating layer when the coating layer thickness is sufficiently large.     

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.