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     

可溶性活性剂驱动的液滴铺展稳定性

对含可溶性活性剂的液滴在预置液膜上的非均匀铺展过程,基于润滑理论建立基态和扰动态下的液滴厚度、表面活性剂浓度和内部浓度的演化模型,应用非模态理论分析演化过程的稳定性,探讨活性剂溶解特性及典型参数对液滴演化特征的影响.研究表明:扰动波的引入有利于增强液滴演化的稳定性,且稳定程度与扰动波的波数呈正相关性;然而随扰动波数的持续增大,液滴演化的稳定性逐渐下降,直至失稳;相对于非溶性活性剂,可溶性活性剂减缓了液滴的铺展程度,增强了演化过程的稳定性;预置液膜厚度、Marangoni数、毛细力数及吸附系数的增大,均有利于液滴稳定演化,其中Marangoni效应和毛细力的影响较大,预置液膜厚度则主要增强液滴厚度演化的稳定性.     

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     

含活性剂液滴在倾斜粗糙壁面上的铺展稳定性

针对含非溶性活性剂液滴在倾斜粗糙壁面上的铺展过程, 应用润滑理论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, 基于非模态理论研究了液滴铺展的稳定性特征, 探讨了相关参数的影响及其内在机理. 研究表明: 液膜厚度和活性剂浓度扰动量均呈现双驼峰型变化, 且峰值位于液滴底部凹陷处; 随扰动波数k增加, 最易失稳区域由液滴底部右侧凹陷处移至左侧凹陷, 壁面结构的影响逐渐减弱, 液滴铺展历程趋于稳定; 增加壁面倾角θ 将导致液滴铺展不稳定性加剧, 增大壁面高度D和壁面波数k₀均导致液滴铺展稳定性先增强后减弱; 随毛细数C减小, 液滴铺展稳定性下降, 重力的影响逐渐突显, 扰动量最大值呈现先增大后减小的变化趋势.     

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.     

液-液驱替动力学研究

Marangoni效应是一种液体在界面张力梯度作用下的自发流动行为.液体界面上液体的Marangoni效应在工程技术领域具有重要作用.本文使用硅油作为驱动液体,正十六烷作为被驱动液体,十二烷基硫酸钠溶液作为液体基底,通过高速相机捕捉正十六烷受驱动铺展的整个过程,研究了三相液体系统中液滴的Marangoni效应.实验发现,正十六烷在硅油的驱动下从内向外铺展,形成液体圆环.本文根据正十六烷圆环内、外边界铺展行为,分析了正十六烷内边界和外边界的铺展原理,并研究了滴入硅油体积对于铺展过程的影响.研究发现,正十六烷内边界铺展与单一液滴的铺展规律相同,正十六烷内边界前期铺展由重力主导,内边界铺展标度律在R～t^1/4到R～t^1/2范围.随后铺展由界面张力梯度主导,内边界铺展标度律为R～t^3/4.因内边界铺展受重力影响,内边界的铺展速度与硅油体积成正相关.而正十六烷外边界在硅油驱动下,因接触角改变而产生界面张力梯度,在界面张力梯度作用下外边界铺展标度律为R～t^3/4.     

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     

分离压作用下波纹状基底上含活性剂液滴铺展稳定性

针对波纹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,应用非模态稳定性理论分析液滴铺展稳定性.研究表明:与不计及分离压情形相比,分离压作用下的液滴铺展前沿高度明显下降,液滴铺展速率加快;长波扰动有利于增强液滴的演化稳定性,且随扰动波数增大稳定性增强;然而随短波波数增加,液滴演化稳定性逐渐减弱甚至转变为不稳定;较小波数下(k=3)减小引力强度系数α₁和提高斥力强度系数α₂液滴铺展稳定性增强;而较大波数下(k=30)增大α₁和减小α₂有利于液滴铺展稳定性.     

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。     

Phase-field modeling droplet dynamics with soluble surfactants

Using lattice Boltzmann approach, a phase-field model is proposed for simulating droplet motion with soluble surfactants. The model can recover the Langmuir and Frumkin adsorption isotherms in equilibrium. From the equilibrium equation of state, we can determine the interfacial tension lowering scale according to the interface surfactant concentration. The model is able to capture short-time and long-time adsorption dynamics of surfactants. We apply the model to examine the effect of soluble surfactants on droplet deformation, breakup and coalescence. The increase of surfactant concentration and attractive lateral interaction can enhance droplet deformation, promote droplet breakup, and inhibit droplet coalescence. We also demonstrate that the Marangoni stresses can reduce the interface mobility and slow down the film drainage process, thus acting as an additional repulsive force to prevent the droplet coalescence.     

Threshold onset of Marangoni convection in narrow channels

There are several experimental studies where the Marangoni convection begins only at a certain difference in the surface tension, i.e. in a threshold way. This effect contradicts a traditional point of view according to which the surface flow in Newtonian fluids should begin at an arbitrary small difference in surface tension. To explore this phenomenon in detail we investigated the initiation of the Marangoni convection at a free liquid surface caused by injection of a droplet of surfactant. It was found that the surface motion occurs in a threshold manner, i.e. when a surfactant concentration in the droplet approaches a certain critical value. The described phenomenon is more important in narrow channels and essentially depends both on the purity of the basic liquid and on the surfactant used. Based on the experimental results, a hypothesis about an important role of residual impurities contained in basic liquids which can thoroughly change a surface rheology was suggested. The theoretical model taking into account special rheological properties in the free surface is considered. The results of the numerical simulation are in a good agreement with the experimental observations.     

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.     

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.     

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.     

Numerical investigation of the effect of insoluble surfactant on drop formation in microfluidic device

Surfactants are commonly used in droplet-based microfluidics to stabilize the droplet interface. In this study, we investigate the effect of insoluble surfactant on drop formation in a capillary microfluidic device. We use a diffuse-interface method to describe the evolution of interface involving insoluble surfactant. The Navier-Stokes/Cahn-Hilliard equations and the surfactant conservation equation are solved by a finite element method along with a grid deformation method. As the surfactant has a non-uniform distribution during the drop formation in general, the surface tension has a gradient on the interface, which affects the flow field and interface evolution. The surfactant effect is discussed for dripping and jetting regimes.     

Large-scale Marangoni convection in a liquid layer with insoluble surfactant of low concentration

We derive a system of amplitude equations describing the evolution of a large-scale Marangoni patterns in a liquid layer with poorly conducting boundaries in the presence of a small amount of an insoluble surfactant on the free flat interface. The presence of quadratic nonlinear terms in the amplitude equation leads to the selection of hexagonal patterns. The type of hexagons bifurcating into the subcritical region, depends on the parameters of the system.