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.     

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     

纳米通道粗糙内壁对流体流动行为的影响

纳米流动系统具有高效、经济等优势,在众多领域具有广泛的应用前景.因该类系统具有极高的表面积体积比,致使界面滑移效应对流动具有显著影响.本文采用分子动力学方法以两无限大平行非对称壁面组成的Poiseuille流动为对象,分析了壁面粗糙度与润湿性变化对通道内流体流动的影响.对于不同结构类型的壁面,需要通过水动力位置来确定固液界面位置,准确计算固液界面位置有助于更好地分析界面滑移效应.研究结果表明,上下壁面不对称会引起通道内流场参数分布的不对称,壁面粗糙度及润湿性的变化会影响近壁面附近流体原子的流动特性,由于壁面凹槽的存在,粗糙壁面附近的数密度分布低于光滑壁面一侧.壁面粗糙度及润湿性的变化会影响固液界面位置,肋高变化及壁面润湿性对通道中速度分布影响较大,界面滑移速度及滑移长度随肋高和润湿性的增大而减小;肋间距变化对通道内流体流动影响较小,界面滑移速度和滑移长度基本保持恒定.     

纳米尺度下气泡核化生长的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟纳米尺度下液体在固体壁面上发生核化沸腾的过程,主要研究壁面浸润性对气泡初始核化过程和气泡生长速率的影响以及固-液界面效应在液体核化沸腾的能量传递过程中所起到的作用.研究结果发现：壁面浸润性越强,气泡在固壁处越容易核化.该结果与经典核化理论中“疏水壁面易于产生气泡”的现象产生了明显的区别.其根本原因是在纳米尺度下,固-液界面热阻效应不能被忽略.一方面,在相同的壁温下,通过增强固-液相互作用,可以显著降低界面热阻,使得热量传递效率提高,导致靠近壁面处的流体温度升高,气泡核化等待时间缩短,有利于液体沸腾核化.另一方面,气泡的生长速率随着壁面浸润性的增强而明显升高.当气泡体积生长到一定程度时,会在壁面处形成气膜,从而导致壁面传热性能恶化.因此,通过壁面的热流密度呈现出先增大后减小的规律.     

基于改进格子Boltzmann焓法模型的液滴凝固数值研究

为了研究不同冷壁面特性上液滴的结晶过程以及凝固速率的规律,利用通过加入对流换热和辐射换热项,使用固相体积分数修正流场的改进的焓-LB方法,使得模型模拟的结果更加精确.分析了液滴在6种不同的壁面特性下,凝固过程平均固相体积分数随时间的变化.分析了凝固后接触角及接触面积与半径的比值随亲疏水性不同的变化.结果表明:壁面的亲水性越好,液滴凝固成核后与壁面的接触角越小,接触面积与半径之间的比值越大;反之,壁面的疏水性越好,液滴凝固成核后与壁面的接触角越大,接触面积与半径之间的比值越小.在超疏水表面存在粗糙元间距较大时,凝固速率最慢,且与粗糙元的接触面积较小,有利于抑霜除霜.     

应用激光蚀刻不同微织构表面的润湿性

运用激光微织构技术, 通过控制微凹坑形状、间距、深度等参数, 在45#钢表面制备了一组表面算术平均偏差S_a相同但表面微观结构不同的试件. 使用Talysulf CCI Lite 非接触式三维光学轮廓仪对表面进行测量, 采用ISO 25178三维形貌表征参数对其形貌进行表征. 在SL200 KS光学法固液接触角和界面张力仪上针对32#汽轮机油进行润湿性试验, 分析了温度、液滴体积、表面结构特征等因素对润湿性的影响, 并借助ISO25178中部分参数对固体表面形貌随机特征与其润湿性之间的关联性进行了量化研究. 基于固液本征接触角为锐角, 研究结果表明: 固液接触角在润湿过程中先迅速减小, 之后逐渐趋于稳定; 固液平衡接触角随温度的升高而减小, 随液滴体积的增大先增大后减小; 激光微织构能够改变表面润湿性, S_a相同的表面, 微织构形状、方向均影响表面润湿性, 当槽状微织构表面的槽方向与液滴铺展方向一致时, 润湿效果最优. ISO25178系列三维形貌表征参数中幅度参数(S_ku, S_sk)、空间参数(S_tr, S_al)、混合参数(S_dq, S_dr)与表面润湿性之间具有较强的关联性: S_ku, S_al, S_dr越大, S_sk, S_tr, S_dq 越小的表面, 固液平衡接触角越小, 表面润湿性越好.     

剪切变稀液滴撞击不同浸润性壁面的数值模拟研究

基于有限元法,采用水平集方法捕捉相界面的移动,构建了液滴撞击固体壁面的数值模型.通过修正的幂律模型描述流体的非牛顿剪切变稀特性,探讨了剪切变稀特性对液滴撞击固体壁面后铺展行为的影响,分析了撞击不同浸润性壁面时剪切变稀特性对液滴撞击壁面行为的影响差异.研究结果表明:随着幂律指数m的减小,液滴撞击过程中的黏性耗散减小,液滴的形貌变化及无量纲参数变化更为显著.接触角为55°的情况下:当m降低至0.85时,液滴铺展过程中开始出现显著区别于牛顿流体液滴的振荡现象;当m降低至0.80时,液滴在回缩过程中会出现中心液膜断裂的情况.接触角为100°时,剪切变稀液滴均会出现振荡行为,振荡幅度随着m的减小而增大.接触角为160°时,牛顿流体液滴与剪切变稀液滴均会在回缩过程中弹起,但剪切变稀液滴的弹起速度更快.此外,基于数值计算结果,本文提出了接触角为55°情况下剪切变稀液滴撞击壁面后的最大无量纲铺展直径预测模型.     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

粗糙壁面间界面换热的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法研究了纳米尺度下固体壁面润湿性和粗糙元对固液界面换热的影响。固液界面由铂固壁与液体氩接触形成,并在固壁上分布着不同形状的粗糙元,包括三角形、矩形、正弦和随机形状,通过虚拟原子法将两侧固壁恒定于不同温度,通过USHER法使液体密度恒为定值。模拟结果表明：（1）润湿性越小、粗糙元面积比率越大,界面...     

不同直径液滴撞击亲水壁面动态特性实验研究

本文通过可视化实验研究了不同直径液滴撞击亲水壁面的动态特性.实验利用光学原理同时记录了液滴撞击壁面过程的正面及底面图像。实验结果表明:液滴最大铺展因数随液滴初始直径近似呈线性增长关系;随液滴直径增大,液滴铺展至最大时需要的绝对时间、滞留时间、回缩时间均增长,稳定时的液固接触面积变大;液滴铺展至最大铺展因数所需要的无量纲时间约为1.68;液滴直径越小,则撞击后液膜回缩更为迅速.     

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     

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.     

疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系,在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动,获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律,证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理.结果表明,疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层,而表观滑移则发生在低密度层上.表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因,减阻效果随滑移长度的增大而增大.对于特定的流体系统,滑移长度是疏水表面的固有属性,仅是壁面润湿性的单一函数,而与流动本身的性质无关.     

Investigation of cavitation bubble collapse in hydrophobic concave using the pseudopotential multi-relaxation-time lattice Boltzmann method

The interaction between cavitation bubble and solid surface is a fundamental topic which is deeply concerned for the utilization or avoidance of cavitation effect.The complexity of this topic is that the cavitation bubble collapse includes many extreme physical phenomena and variability of different solid surface properties.In the present work,the cavitation bubble collapse in hydrophobic concave is studied using the pseudopotential multi-relaxation-time lattice Boltzmann model(MRT-LB).The model is modified by involving the piecewise linear equation of state and improved forcing scheme.The fluid-solid interaction in the model is employed to adjust the wettability of solid surface.Moreover,the validity of the model is verified by comparison with experimental results and grid-independence verification.Finally,the cavitation bubble collapse in a hydrophobic concave is studied by investigating density field,pressure field,collapse time,and jet velocity.The superimposed effect of the surface hydrophobicity and concave geometry is analyzed and explained in the framework of the pseudopotential LBM.The study shows that the hydrophobic concave can enhance cavitation effect by decreasing cavitation threshold,accelerating collapse and increasing jet velocity.     

微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究

将高精度的二氧化碳状态方程与气液两相流格子Boltzmann方法中的伪势模型耦合,研究微通道内二氧化碳气液两相流动的界面动力学行为,包括二氧化碳气泡和液滴的分裂、合并、变形,以及气液两相二氧化碳在演化过程中的质量交换.研究发现：当分裂和合并行为达到平衡,并且两相之间不发生质量交换时流动达到稳态.稳态时的流型主要依赖于表面张力,惯性力,管道的润湿性,以及初始体积分数.当表面张力较大时,微通道内形成的二氧化碳气泡或液滴会收缩成圆形,此时二氧化碳气泡或液滴会堵塞微通道,形成段塞流;随着表面张力的减小,形成的气泡或液滴不容易收缩,在微通道内更容易发生变形,出现泡状流或环状流.当壁面润湿性为强疏水性时,二氧化碳在微通道中的流动为环状流,其它润湿性下,流型为段塞流.体积分数较小时,二氧化碳两相流动的流型为段塞流,体积分数较大时,流型为环状流.     

用晶格玻尔兹曼方法研究微结构表面的疏水性能

将固体表面分别近似为具有简单的周期性矩形、三角形和半圆形微粗糙结构表面,建立了两相流的晶格玻尔兹曼模型.通过测量不同微粗糙结构表面上液滴的接触角,探讨微结构形状和尺寸的改变对固体材料表面疏水性能的影响.最后,由流体在各种糙壁管中的速度滑移,验证了结论的正确性.     

液滴撞击圆柱内表面的数值研究

针对液滴撞击圆柱内表面的过程,利用基于相场的格子Boltzmann方法模拟液滴以不同初速度、从不同初始高度、撞击不同大小的圆柱内表面时液滴的形态变化,分析了液滴自身物性(如密度和黏性等)和圆柱内表面润湿性等因素对撞击现象的具体影响.研究发现:撞击韦伯数、密度比及动力黏性比、圆柱半径等对液滴撞击后沿圆柱内表面的铺展均有一定影响,较高的韦伯数下液滴可能会发生分裂;液滴初始高度对大密度比和动力黏性比的撞击影响较小;液滴反弹现象可能出现在接触角较大时;重力作用会抑制撞击后液滴的振荡.     

液态镓在石墨烯表面的润湿性及形貌特征

液态Ga及其合金的熔点低、毒副作用小、导电率高,使得这类液态金属能像石墨烯一样被广泛应用于微流器件、柔性电子器件中,制备这些器件的关键在于有效控制各生产环节中液态金属在固体界面上的润湿性及形貌特征.基于Lennard-Jones(L-J)势函数,利用分子动力学模拟方法研究了金属Ga在石墨烯表面的润湿性,根据模拟结果拟合的L-J势参数能正确描述Ga原子与衬底之间的相互作用并得到了与实验值极为接近的润湿角,发现衬底与液膜间相互作用的微小改变都会对最终润湿形态产生极大影响,平衡态的润湿角和脱离衬底速度随着Ga-C间势能的减小而增大,并成功获得了不同厚度的Ga液膜在石墨烯表面的形态演变规律,极为符合液态Ga的基本特性.利用所得L-J势函数参数模拟了液态Ga在粗糙度相同但纳米柱尖端形貌不同的C材料表面的润湿演变,发现纳米柱尖端形貌对液态Ga的润湿过程及状态影响极大.