考虑接触角滞后性多孔介质内非混相驱替研究

接触角滞后性表现为前进和后退接触角不同,其是润湿表面上两相流动中的重要现象.该文采用改进的伪势格子Boltzmann(LB)两相模型,并与几何润湿边界条件相结合,研究了接触角滞后性、毛细数以及几何结构对多孔介质内不混溶驱替过程的影响.数值结果表明:单渗透性多孔介质内相同毛细数下,保持后退角一定,驱替效率随着前进角的增大而增大;疏水和中性接触角滞后性窗口中,驱替效率随滞后性窗口大小增大而减小.在亲水接触角滞后性窗口中,接触角滞后性大小作用不明显;同等窗口大小下,所有选取的亲水滞后性窗口驱替效率大于中性滞后性窗口,中性滞后性窗口驱替效率大于疏水滞后性窗口.单渗透性多孔介质内相同接触角滞后性条件下,毛细数C_a越大,驱替相在多孔介质内的指进现象越明显,驱替效率越小.另外,双渗透多孔介质中驱替相更易在高渗透性区域流动并率先突破边界,驱替效率较单渗透性显著下降.     

T型微通道内液滴在幂律流体中运动机理的格子Boltzmann方法研究北大核心CSCD

采用非Newton不可压两相流格子Boltzmann模型研究了T型微通道内Newton液滴在非Newton幂律流体中的运动过程.研究了非Newton流体幂律指数n、主管道毛细数Ca、两相流量比Q、两相黏度比M以及主管道壁面润湿性θ对液滴在T型微通道内的形成尺寸、形成时间和变形参数(DI)的影响.研究结果表明:首先,主管道流体幂律指数n从0.4增加到1.6时,液滴的形成尺寸近似呈线性减小,而液滴的形成时间和变形参数先快速减小,然后缓慢减小;其次,黏度比对液滴形成尺寸、液滴形成以及变形参数的影响与幂律指数的影响基本一致;再者,随着Ca和主管道壁面润湿性的增加,形成液滴的尺寸近似呈线性减小,形成液滴的时间和变形参数先快速减小然后缓慢减小,且减小趋势随幂律指数的增加而减缓;最后,研究结果还表明主管道和子管道的流量比Q越大,液滴形成时间越长,液滴形成尺寸和变形参数越小.     

T型微通道内的幂律流体液滴破裂行为的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法(LBM)研究了T型微通道内幂律流体液滴运动行为及其流型相图.主要研究了液滴幂律指数n对液滴破裂时颈部厚度、前端运动距离等形变特性以及流型相图的影响.数值结果表明,幂律流体液滴在T型微通道内存在阻塞破裂、隧道破裂以及不破裂三种流型.在阻塞破裂过程中,液滴颈部厚度随时间逐渐减小,且液滴幂律指数n越大,液滴颈部厚度随时间减小得越慢.同时液滴前端运动距离随时间线性增加,且随着n的增加,液滴破裂时前端运动距离越长.在隧道破裂过程中,液滴颈部厚度也随时间逐渐减小,与阻塞破裂相似,n越大液滴颈部厚度减小得越慢.与阻塞破裂相比,液滴隧道破裂时对应的临界颈部厚度有所增加,且液滴前端运动距离随时间先快速增加,然后再缓慢增加,隧道宽度随时间近似呈对数增长.此外,液滴未破裂时液滴颈部厚度以及液滴前端运动距离出现波动现象.液滴的幂律指数n越大,液滴越容易破裂,但越不容易达到阻塞破裂.根据数值模拟结果得到了各流型相图之间幂函数形式临界分界线的拟合公式,该拟合公式可以预测不同流型.     

相场方法模拟液滴的动态润湿行为

液滴的动态湿润现象广泛存在于自然界和工业生产中,该现象数值研究的建模需要解决接触线附近的奇异性并引入合理的接触角描述.基于相场方法,结合Yokoi动态接触角模型,建立了考虑动态润湿效应的两相流数值模型,并在OpenFOAM开源平台上实现相应程序.针对液滴撞击壁面的动态湿润过程,数值模拟和对比研究了不同的接触角模型.结果表明:接触角模型的选择对液滴动态润湿过程的模拟结果具有较大的影响,其中基于改进动态接触角模型的结果与文献中的实验结果具有很好的吻合度,反映了提出的数值模型在液滴的动态润湿行为模拟的有效性.     

液滴平壁铺展过程中的滞后效应及力学机制研究

研究了液滴平壁铺展过程中的接触角滞后效应,从接触线附近流体的压力、速度以及能量分布等角度考虑滞后效应的成因和变化规律.在此基础之上分析了固体表面粗糙度对滞后效应的影响,并借助部分三维形貌参数(ISO 25178)建立了固体表面形貌与接触角滞后效应之间的量化关系.为了研究以上内容,应用数值仿真软件建立了液滴铺展动力学模型,并结合固体表面上的滞后性实验进行了相关验证.研究结果表明:由于表面粗糙度的存在,液滴铺展至平衡位置时,位于铺展前沿的液体分子被钉扎在固体表面的凹坑或低谷中,使得前沿接触角逐渐增大,后沿接触角逐渐减小,接触角发生滞后;驱动液滴铺展的Laplace压力和自身重力与阻碍液滴铺展的黏性阻力之间的平衡关系,是接触角发生滞后的主要力学机制.另外,实验结果表明接触角滞后效应与固体表面形貌密切相关,具有相同表面粗糙度(Sa)的固体表面,由于表面形貌不同接触角滞后效应可能存在明显的差异.     

液气界面张力垂直分量引起的基底弹性变形

Young方程是毛细理论和润湿的重要方程之一．但是,该方程只描述了3个界面张力的水平分量之间的平衡与接触角的关系,而对液气界面张力垂直分量未作任何描述．现在,随着软材料的广泛应用,该垂直分量将引起基底的表面变形,并在微流体系统的制造过程中起到重要作用,这已是该研究领域的共识．综述了关于表面变形这一问题在理论分析,实验研究和数值模拟等方面取得的进展．而且,还讨论了由垂直分量引起的表面变形对液滴润湿和铺展行为、微悬臂梁的弯曲、弹性毛细现象、电弹性毛细现象等的影响．不仅对该问题的历史发展和目前的研究进展进行了简单的综述,并且也针对后续的研究提出了几点建议．     

锥形微通道内液滴自输运特性及力学驱动机制研究

针对液体在微通道内的自输运特性,采用数值仿真与能量解析相结合的方法研究了液滴在锥形微通道内的自输运特性及力学驱动机制,得到微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角及微通道的润湿性对液滴自输运特性的影响关系.分析表明,微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角均能影响液滴的自输运方向及驱动力大小.对于亲水性微通道,微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角其作用效果呈现整体形态;对于疏水性微通道,微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角其作用效果呈现局域形态.这可为研究液体在微通道内的自输运机理及界面内液体细观流动机制奠定理论基础.     

基于格子Boltzmann方法的液滴撞击具有不同润湿性孔板的研究

基于格子Boltzmann方法,对液滴撞击不同湿润性节流孔板表面进行了数值模拟.主要研究了在液滴撞击过程中,Weber数(We)、孔板表面湿润性和孔板尺寸对液滴通过孔板时不同状态的影响.数值模拟结果表明:孔板为亲水特性时,在较低We下,液滴不会与孔板表面脱离,而是附着在孔板下表面,并且在毛细作用下液滴会在孔道中上升一段...     

乙醇液滴撞击高温壁面蒸发过程的模拟预测研究北大核心CSCD

采用CLSVOF方法,引入描述壁面润湿特性的动态接触角,建立了乙醇液滴撞击高温壁面的数值模型,对乙醇液滴撞击高温壁面后的沸腾蒸发过程展开了研究,并与实验数据进行了对比验证.研究表明:在相同液滴温度下,壁面温度越高,亲水性越强,乙醇液滴的撞击速度越快,液滴的沸腾时间越早,蒸发完成所用时间也越短.在此研究基础上,基于机器学习算法,建立了液滴蒸发预测模型,对乙醇液滴撞击高温壁面后蒸发剩余量随时间的变化进行了预测研究,并通过将不同机器学习算法的预测结果与模拟结果对比,选出最优预测模型.     

液滴在管中的热变形迁移

使用边界积分法, 理论上研究了液滴在管壁绝热的轴对称管中忽略对流条件下, 定常小Reynolds数热变形迁移. 液滴的球半径和管子的半径分别是a′(假定液滴是球状时的半径a′=(3V_p′/4π)^1/3,V_p′是液滴的体积)和b′.当毛细准数C_a=0.05, 对于大的液滴(a′/ b′=0.8)在管中运动时, 变形较明显. 由于流体应力使液滴变形加长, 管壁的影响减弱, 液滴的速度增加. 对于小的液滴(a′/ b′< 0.8, C_a=0.05), 在运动过程中保持球形. 原因是液滴远离管壁, 流体应力对其影响不大. 变形液滴运动速度大于具有相同当量直径的球状液滴运动速度. 液滴热迁移的速度大于由浮力引起的迁移速度.     

Contact angle effects on microdroplet deformation using CFD

In this paper we use computational fluid dynamics (CFD) to study the effect of contact angle on droplet shape as it moves through a contraction. A new non-dimensional number is proposed in order to predict situations where the deformed droplet will form a slug in the contraction and thus have the opportunity to interact with the channel wall. It is proposed that droplet flow into a contraction is a useful method to ensure that a droplet will wet a channel surface without a trapped lubrication film, and thus help ensure that a slug will remain attached to the wall downstream of the contraction. We demonstrate that when a droplet is larger than a contraction, capillary and Reynolds numbers, and fluid properties may not be sufficient to fully describe the droplet dynamics through a contraction. We show that, with everything else constant, droplet shape and breakup can be controlled simply by changing the wetting properties of the channel wall. CFD simulations with contact angles ranging from 30° to 150° show that lower contact angles can induce droplet breakup while higher contact angles can form slugs with contact angle dependent shape.     

Internal Flow Analysis for Slow Moving Small Droplets in Contact with Hydrophobic Surfaces

Internal fluid flow behavior for slow moving small droplets in contact with hydrophobic surfaces is analyzed. The shape of the droplet is first computed using the Young-Laplace equation. For this purpose a Finite Element (FE) model [1], in which contact constraints are enforced through Penalty and Augmented Lagrange Multiplier methods, is used. The flow field within the droplet is then analyzed using the Stokes flow model, considering a de-coupled approach. Similar to the membrane deformation model, the formulation for the flow analysis is also expressed in the framework of FE analysis. Both, stabilized (Pressure Stabilizing/Petrov-Galerkin PSPG) and Galerkin FE formulations are considered. The motion of the fluid inside the droplet is governed by the slip condition enforced on the membrane of the droplet. Numerical examples for droplets rolling steadily are presented. (© 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Temperature effects in thin droplets

Thin droplets spreading on a solid substrate are investigated, with a special focus on temperature effects. The aim is to manipulate the fingering instability which may occur in the spreading in a spin coating process. The analysis bases on lubrication approximation, valid for flat thin droplets, which usually is the case. The dynamic of the wetting is implemented by using a generalized law of Tanner, coupling the contact angle (CA) of the droplet at the (apparent) contact line (CL) with its speed. A one-way coupling is used to investigate, whether viscous heating has to be taken into account. It can be derived that its role is negligible in the spreading process of a thin droplet, even for a relatively large viscous influence (large capillary number). Analyzing the results of a linear stability analysis of the fingering instability and taking Marangoni-stresses (MS) into account reveals, that the instability may be suppressed by cooling the ambient gas or heating the substrate during the spreading. Unfortunately an comparison with experiments for spreading droplets in a heated gas shows deviations for larger spreading radii. The influence of temperature on density is investigated and on the way a criteria, from which it may be obtained whether a simple Boussinesq-approximation (BA) is appropriate or not. (© 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

液滴对弹性梯度薄基变形的影响

液滴润湿现象在细胞的变形和软器件的设计和制作中具有潜在的指导意义.该文在考虑三相接触线处线张力的情况下,研究了液滴引起的梯度薄基变形问题.首先,利用积分变换法求解了基底变形的本构方程,给出了变形的法向位移表达式.其次,讨论了基底弹性模量非梯度、指数型梯度和幂型梯度变化时基底的变形情况.最后,给出了液滴大小、弹性模量、线张力及梯度指数变化时位移的变化情况.数值结果表明弹性模量逐渐减小和梯度指数逐渐增大时,湿润脊逐渐变高,变形也越大;线张力和特征深度越小,位移的峰值越高,变形也越大;液滴半径较小时,湿润脊的对称性会变得更好.     

充液弹性毛细管低温相变的力学分析

充液弹性毛细管广泛存在于生物体（如毛细血管、植物导管等）和工程领域（如微流控冰阀门、制冷系统热管、MEMS微通道谐振器等）.低温工作环境中,充液弹性毛细管内部的液柱会发生相变并引发冻胀效应,从而导致管壁的变形、损伤乃至断裂.该文建立并求解了考虑温度梯度、界面张力及液体冻胀作用的弹性毛细管平衡方程,分析了液柱低温相变过程中毛细管壁的径向和环向应力,发现管壁应力分布受热毛细弹性数和冻毛细弹性数的影响,且影响大小跟壁厚相关.该研究不仅有助于理解生物体内充液弹性毛细管冻胀失效机制,还可为MEMS微流控芯片的抗冻胀失效设计提供理论指导.     

The Motion of Small Particles and Droplets in Quadratic Flows

We consider the low-Reynolds-number motion of small particles and droplets in the most general unbounded quadratic flows. The fluid velocity and pressure fields are obtained by means of a vectorial formulation of Lamb's general solution, providing a compact representation for the requisite flow field. The leading-order deformation of the droplet from its initial spherical shape is also calculated.