EFFECT OF TWO-DIMENSIONAL MICROPILLAR ARRAYED TOPOGRAPHY ON SPREADING OF INSOLUBLE SURFACTANT-LADEN DROPLET

针对二维微柱阵列壁面上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度演化模型,采用数值计算方法得到了液滴的铺展特征及相关参数的影响. 研究表明：活性剂液滴在微柱阵列壁面上铺展时,在壁面凸起处衍生出隆起结构,壁面凹槽处衍生出凹陷结构,随时间持续,隆起和凹陷均向两侧移动,且数量不断增加. 活性剂液膜流经凸起时,隆起高度呈驼峰形变化. 增大预置液膜厚度或活性剂初始浓度,铺展区域隆起和凹陷数量增多,液滴铺展速度加快. 增加凹槽深度或减小斜度会使毛细力作用增强,液膜破断可能性加大;增大凹槽宽度可加速活性剂液滴的铺展,加剧液膜表面波动幅度.     

分离压对波状基底上活性剂液滴铺展过程的影响

针对波状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,引入受活性剂浓度影响的分离压模型,应用润滑理论建立了液滴高度和活性剂浓度演化方程组,通过数值计算方法得到了分离压作用下含活性剂液滴过程的演化特征. 研究表明:分离压作用下的液滴演化时间显著缩短,铺展速率加快,铺展前沿处衍生出的子波结构明显减少,铺展更加稳定;分离压对液滴铺展稳定性的影响与活性剂关联强度密切相关,减小引力强度系数α₁有利于促进液滴的铺展,而减小斥力强度系数α₂则起抑制作用,且放大了液滴的演化扰动能量,致使液滴铺展呈现不稳定特征;增加基底高度D或波数k均使液滴铺展速率减慢.      

表面活性剂溶液界面拉压驱动液滴浸润性响应

液体表面的流体铺展在许多工程领域中具有广泛的应用前景。本文提出通过挡板对底液表面的拉压实现液滴的动态浸润响应,以正十六烷为受驱动液滴、十二烷基硫酸钠溶液为基底溶液组成浸润实验体系。挡板向外拉伸时,表面活性剂分子面密度降低,铺展系数增大,液滴铺展;挡板向内挤压时,表面活性剂分子面密度增大,铺展系数减小,液滴收缩。挡板往复运动实现了液滴的浸润性响应调控,这一工作为实现界面液膜的调节提供了新的思路。     

微管内气液两相流中液膜厚度的实验测量

微通道内气液两相流中气柱(plug bubble)与通道壁之间液膜厚度的实验测量,是微热管、微流动、微电子冷却以及气泡雾化等研究中普遍关注的问题.本文利用基于光学干涉和快速傅立叶变换的空间频谱分析方法,实验测量获取了含表面活性剂水中气柱在750μm 通道内运动时其与通道壁面之间的液膜厚度.实验结果表明:表面活性剂对液膜厚度的影响比较明显,即当表面活性剂浓度在一定范围内增大时,液膜厚度会减小;此外,当气柱运动速度在一定范围内增大时,液膜厚度也会减小.     

纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究

纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.      

纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究

纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.     

微管内气液两相流中液膜厚度的实验测量

微通道内气液两相流中气柱（plugbubble）与通道壁之间液膜厚度的实验测量，是微热管、微流动、微电子冷却以及气泡雾化等研究中普遍关注的问题。本文利用基于光学干涉和快速傅立叶变换的空间频谱分析方法，实验测量获取了含表面活性剂水中气柱在750μm通道内运动时其与通道壁面之间的液膜厚度。实验结果表明：表面活性剂对液膜厚度的影响比较明显，即当表面活性剂浓度在一定范围内增大时，液膜厚度会减小；此外，当气柱运动速度在一定范围内增大时，液膜厚度也会减小。     

不同壁面条件下液滴撞击铺展特性的模拟研究

液滴撞击不同润湿性壁面的传热流动问题在自然界和工业生产中广泛存在。研究采用CLSVOF方法,引入描述壁面润湿特性的动态接触角,并考虑液滴物性参数随温度的变化,建立液滴撞壁模型,模拟研究液滴撞击流动行为,通过与实验对比验证,确定模型有效性。在此基础上,对传热作用下考虑壁面润湿性的液滴撞击问题展开研究,探讨壁面传热作用对液滴撞击铺展特性的影响。研究表明,在撞击过程中,液滴先铺展后逐渐收缩,与静态接触角模型相比,采用动态接触角模型所得的液滴流动特性与实验结果更加吻合;随着接触角增大,液滴在撞壁初期不易铺展,随后则易于收缩;虽然固液传热作用会影响液滴铺展直径,但不改变液滴的运动趋势。     

STABILITY OF ULTRATHIN LIQUID FILM EVOLUTION WITH SURFACTANT

针对固体基底上厚度小于100 nm的含活性剂超薄液膜演化过程, 基于润滑理论推导出包含分离压影响的液膜厚度和活性剂浓度的演化方程, 采用正则模态法导出了描述液膜线性稳定性的特征方程, 分析了多个特征参数对线性稳定性的影响, 数值模拟了液膜厚度和活性剂浓度演化历程, 对比了模拟所得非线性结果与线性分析预测结果的一致性.结果表明:范德华力具有促进扰动增长的作用, 较强的玻恩斥力促使扰动衰减, 使液膜趋于稳定;较小的毛细力数易使液膜凹陷处发生二次失稳, 并最终导致去润湿现象发生;液膜厚度和溶于液膜内部的活性剂浓度初值越大, 液膜稳定性越强, 液膜表面活性剂浓度影响则相反;增大吸附系数不利于液膜稳定性.     

强磁场影响下镓液滴撞击固壁的实验研究

在材料的电磁冶金过程及磁约束核聚变装置中, 金属液滴在磁场和壁面温度影响下的撞击过程表现出复杂的动力学特性. 本文对水平磁场作用下液态镓(Ga)液滴撞击等温和过冷壁面的铺展和回弹特性进行了实验研究. 采用高速相机拍摄液滴撞击过程中轮廓的变化, 通过图像处理获得不同磁场强度、不同撞击速度和不同底板温度下的最大铺展因子、回弹过程中的最大高度以及产生的二次液滴的半径和速度. 碰撞速度由0.45 ~ 1.8 m/s, 磁场强度从0 ~ 1.6 T, 底板温度为30 °C, ?20 °C和?10 °C. 基于实验结果分析了磁场和壁面温度对液滴铺展和回弹的影响规律. 实验结果表明, 液滴撞击等温壁面和过冷壁面的最大铺展因子随We的变化均与理论预测关系式一致. 液滴撞击等温壁面的情况下, 不同的We下, 出现不同的回弹现象. 磁场抑制了平行于磁场方向的液滴铺展和回弹过程中二次液滴的产生, 而对回弹过程中的液滴在平行磁场方向上有拉伸作用. 液滴撞击过冷壁面时, 在一定的We值范围内, 同样会出现二次液滴分离现象, 此时产生的二次液滴的速度较小. 磁场的增强和We的增大都会导致液滴在高度方向的振荡减弱, 加速凝固过程.      

Effects of surfactant on liquid film thickness in the Bretherton problem

The effects of insoluble and soluble surfactant on the motion of a long bubble propagating through a capillary tube are investigated computationally using a finite-difference/front-tracking method. Emphasis is placed on the effects of surfactant on the liquid film thickness between the bubble and the tube wall. The numerical method is designed to solve the evolution equations of the interfacial and bulk surfactant concentrations coupled with the incompressible Navier–Stokes equations. A non-linear equation of state is used to relate surface tension coefficient to surfactant concentration at the interface. Computations are first performed for soluble cases and then repeated for the corresponding clean and insoluble cases for a wide range of governing non-dimensional parameters in order to investigate the effects of surfactant and surfactant solubility. The computed film thickness for the clean case is found to be in a good agreement with Taylor’s law indicating the accuracy of the numerical method. We found that both the insoluble and soluble surfactant generally have a thickening effect on the film thickness, which is especially pronounced at low capillary numbers. This thickening effect strengthens with increasing sensitivity of surface tension to interfacial surfactant coverage mainly due to the enhanced Marangoni stresses along the liquid film. It is also observed that film thickening shows a non-monotonic behavior for variations in Peclet number. The validity of insoluble surfactant assumption is assessed for various non-dimensional numbers and it is demonstrated that insoluble assumption is valid only when capillary number is very low, i.e., Ca ≪ 1 and when surface tension is highly sensitive to interfacial surfactant coverage, i.e., the elasticity number is large.     

CHARACTERISTIC OF DROPLET OSCILLATION ON THE SURFACE OF RECTANGULAR HYDROPHOBIC GROOVES

液滴振荡行为是液滴运动中的重要伴随现象,具有重要科研价值.由于液滴撞击疏水沟槽板时运动行为与光滑表面明显不同,可以推测疏水沟槽表面液滴振荡特性也将会呈现与众不同的行为特点.采用高速摄像技术,研究了矩形疏水沟槽表面上水滴高度和接触线振荡行为随沟槽尺寸和撞击速度的变化规律.结果发现,矩形疏水沟槽造成的各向润湿异性使得振荡过程中水滴在平行沟槽方向上的接触线长度大于垂直方向,但并不影响水滴高度方向上衰减振荡的周期,即水滴振荡周期与沟槽间距无关;同时由于疏水沟槽表面上存在能垒束缚效应,致使水滴振荡过程中接触线的铺展和回缩运动不服从典型阻尼振荡规律,而呈现振荡数次后直接趋稳的特点.如水滴以0.61 m/s撞击时,接触线经历2次振荡后即维持稳定,但此时水滴仍在持续振荡中.另外,还初步分析了水滴振荡周期与沟槽间距无关的原因.     

乏油对纯滑动粗糙表面点接触热弹流润滑的影响

本文求解了纯滑动点接触热弹性流体动力润滑问题.分析中假设运动表面为光滑表面,静止表面在接触中心有1个垂直于卷吸速度方向的横向突起.将计算域划为乏油区、压力区和气穴区3个子区,乏油区和气穴区的压力计算算法一致,但是温度的计算方法不同.研究结果显示:在乏油工况下,油膜中压力和温度均在入口处新月形液面处开始建立,入口区乏油程度的增加会导致油膜中压力分布趋近于干接触状态,油膜中平均温度得以提高,最大压力和温度均出现在赫兹接触圆两侧的宏观马蹄形区域.同全膜润滑相比,油膜厚度被明显降低,并且随着乏油程度的增加,静止表面的突起逐渐被压平.     

Impact of liquid drops on a rough surface comprising microgrooves

Impact of water drops on a stainless steel surface comprising rectangular shaped parallel grooves is studied experimentally. Geometric parameters of the surface groove structure such as groove depth, groove width and solid pillar width separating any two successive grooves were kept at 7.5, 136 and 66 μm, respectively. The study was confined to the impact of drops in inertia dominated flow regime with Weber number in the range 15–257. Experimental results of drop impact process obtained for the grooved surface were compared with those obtained for a smooth surface to elucidate the influence of surface grooves on the impact process. The grooves definitely influence both spreading and receding processes of impacting liquid drops. A more striking observation from this study is that the receding process of impacting liquid drops is dramatically changed by the groove structure for all droplet Weber number.     

镓铟锡液滴撞击泡沫金属表面的运动学特性研究

常温下为液态的镓铟锡合金以其优异的导热性能在具有特殊要求的传热领域有着重要的应用价值,与传统流动介质相比较大的表面张力使得其产生的流动现象必有所区别.本文研究镓铟锡所形成的液滴撞击泡沫金属表面后所产生的铺展、回缩及回弹现象.采用高速相机拍摄液滴投影轮廓随液滴运动的变化过程,并通过图像处理获得不同撞击速度、底板表面孔径下的液滴铺展系数、中心位置轮廓高度以及液滴回弹后在空中的振动特性.研究结果表明:具有较高表面张力的镓铟锡液滴的铺展系数随无量纲时间的变化在铺展初始阶段仍满足常规流体的1/2次幂关系,只在铺展后期与底板的无量纲孔径有关系;液滴的最大铺展系数在较小无量纲孔径底板大于在光滑镍板,且随底板无量纲孔径增大而逐渐减小;在回弹过程,由于底板孔隙结构的存在使得液滴回弹后在空中的振动呈现3种形态:规则的横向和纵向振动、带旋转的横向和纵向振动以及旋转振动;最后,通过对振动频率的拟合和分析,进一步拓展了传统振动频率理论公式在非规则振动过程预测中的应用.      

离散型织构表面液滴的铺展及其接触线的力学特性分析

针对离散型织构表面上液滴的铺展过程,采用数值模拟和润湿性实验相结合的方法,引入织构润湿因子θ*,得到了不同类型的离散型织构对固体表面润湿性的影响,在此基础之上分析了液滴铺展过程中接触线的力学特性,以期从微观界面力学的角度解释微织构对液滴铺展过程的促进作用.研究表明:离散型织构增大了液滴铺展过程中的固-液接触面积,位于铺展前沿的液体分子部分浸润织构内部,导致液面曲率和液滴内部的拉普拉斯压力增大,相邻离散型织构间的液体获得了额外的驱动力和能量,铺展速度加快,平衡接触角减小;槽状离散型织构对表面润湿性的影响程度最大,液滴在其上铺展过程具有各向异性特性.另外数值仿真分析表明,接触线的钉扎效应与固体表面粗糙度的大小和微织构类型密切相关,表面粗糙度越大,钉扎效应越明显,其中槽状织构对接触线的钉扎作用还具有方向性.      

Surfactant spreading on a thin weakly viscoelastic film

A mathematical model is presented for surfactant-driven thin weakly viscoelastic film flows on a flat, impermeable plane. The Oldroyd-B constitutive relation is used to model the viscoelastic fluid. Lubrication theory and a perturbation expansion in powers of the Weissenberg number (We) are employed, which give rise to non-linear coupled evolution equations governing the transport of insoluble surfactant and thin liquid film thickness. Spreading on a Newtonian film is recovered to leading order and corrections to viscoelasticity are obtained at order We. These equations are solved numerically over a wide range of viscosity ratio (ratio of solvent viscosity to the sum of solvent and polymeric viscosities), pre-existing surfactant level and Peclet number (Pe). The effect of viscoelasticity on surfactant transport and fluid flow is investigated and the mechanisms underlying this effect are explored. Shear stress, streamwise normal stress and the temporal rate of change of extra shear stress generated from gradients in surfactant concentration dominate thin viscoelastic film flows whereas only shear stresses play a role in Newtonian thin film flows. Our results also reveal that, for weak viscoelasticity, the influence of viscosity ratio on the evolution of surfactant concentration and film thickness can be significant and varies considerably, depending on the concentration of pre-existing surfactant and surfactant surface diffusivity.