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     

基于光滑粒子动力学方法的液滴冲击固壁面问题数值模拟

采用改进的光滑粒子动力学(SPH)方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性, 在传统的SPH方法的基础上对粒子方法中的密度和核梯度进行了修正, 采用了考虑黎曼解法的SPH流体控制方程, 构造了一种新型的粒子间相互作用力(IIF)模型来模拟表面张力的影响. 应用改进的SPH方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 计算结果表明：新型的IIF 模型能够较好地模拟表面张力的影响, 改进的SPH方法能够精细地描述液滴与固壁面相互作用过程中液滴的内部压力场演变和自由面形态变化, 液滴的铺展因子随初始韦伯数的增大而增大, 数值模拟结果与实验得到的结果基本一致. 关键词： 液滴 固壁面 光滑粒子动力学 表面张力     

液滴振荡模型及与数值模拟的对比

由于碰撞壁面后液滴内部流动的复杂性, 以及气-液-固三相间的相互作用, 对液滴碰撞壁面形态变化的数学理论研究有较大的难度, 因此所见者多为实验和数值模拟. 本文通过对液滴受力状态的分析, 得到了惯性力、黏性力和表面张力带经验系数的表达式, 并进一步建立了液滴碰撞壁面振荡模型, 得到了液滴铺展半径的振荡表达式, 以及表面张力、黏性系数等参数对液滴铺展的影响. 最后通过与液滴衰减振荡数值模拟结果的对比, 确定了液滴振荡模型中的修正系数, 验证了模型的可行性. 关键词： 液滴碰撞 振荡 铺展半径/高度 数值模拟     

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     

格子Boltzmann方法模拟双液滴撞击液膜的流动过程

采用单相自由面格子Boltzmann方法中流场计算,自由面条件和表面张力处理方法,研究双液滴撞击液膜的流动过程,实现对垂直间隔的两液滴相继撞击液膜流动过程的模拟.数值结果表明,液滴相继冲击液膜时,液滴间上下距离对液膜状态有很大的影响,液滴间距不同,液膜形状会出现很大差异.数值结果与实验结论定性一致.     

液滴撞击液膜的射流与水花形成机理分析

建立了单液滴撞击平面液膜的物理与数学模型,采用Coupled Level Set and Volume of Fluid方法对这种现象进行了数值模拟,探讨了黏度和表面张力对冠状水花形态的影响.通过分析撞击后液体内部的压力和速度分布,揭示了液滴颈部射流的产生机理,验证了Yarin和Weiss提出的运动间断理论.研究显示,表面张力对冠状水花形态的影响远大于黏度的影响.颈部射流的产生主要是由于撞击后颈部区域局部较大压差造成的,随着撞击过程的继续,压差作用减弱;液膜内流体的径向运动对射流发展成冠状水花具有推动作用.     

梯度表面能材料上液滴运动特性实验

对水平和30°倾角放置梯度表面能材料表面上液滴运动特性进行了可视化实验,分析了液滴在梯度表面上运动速度的变化规律,以及液滴大小和表面倾角对运动速度变化的影响.实验结果表明:在梯度表面能材料上,液滴能获得较大的宏观运动速度,并可以沿30°倾角放置的梯度表面材料上自下而上的运动;大液滴较小液滴的峰值运动速度大,运动距离更远;液滴在运动过程中出现蠕动的现象.     

电毛细驱动液态金属液滴可寻址运动特性研究

液态金属作为新型材料广泛应用于生物医疗、机械制造等领域。液态金属的高动力黏度和高表面张力等特性使得液态金属液滴可寻址操控的研究目前仍极具挑战。本文提出采用梯度电压驱动液态金属液滴在黏性溶液中运动的方法,与传统功能梯度表面方法相比,该方法不需要依赖特殊的固体表面,更精准灵活地调控液滴运动。采用水平集技术模拟对比梯度电势、梯度表面和两者共同驱动三种方式的液滴自动寻址过程动力学特性。结果验证了梯度电势驱动液态金属液滴定向运动的可行性。本文详细讨论了液态金属液滴、周围流体的黏度及表面张力等参数也会对液态金属驱动过程产生影响,并设计了操控液滴定向寻址运动、分裂等的蜂窝状组合电极表面,相关研究可为液态金属可寻址定向运动提供理论指导。     

液滴在梯度微结构表面上的铺展动力学分析

本文通过改变肋柱宽度和间距, 构造了二级和多级梯度微结构表面, 采用格子-Boltzmann方法对液滴在两种梯度表面上的铺展过程进行了研究, 探析液滴运动的机理和调控方法. 结果表明, 在改变肋柱间距的二级梯度表面上, 当液滴处于Cassie态时, 接触角滞后大小与粗糙度梯度成正比关系; 当液滴从Cassie态转换为Wenzel态或介于两者之间的不稳定态时, 这一正比关系不再遵循. 在改变肋柱宽度的二级梯度表面上, 接触角滞后大小与粗糙度梯度始终成正比关系. 在多级梯度表面上, 随液滴初始半径增大, 接触角滞后减小, 但液滴平衡位置相较于初始位置偏离增大. 对梯度微结构表面上液滴运动和接触角滞后的定量分析, 可为实现梯度微结构表面液滴运动调控提供理论依据.     

丁二酸-水纳米气溶胶液滴表面张力的分子动力学研究

表面张力在纳米气溶胶颗粒的吸湿生长研究中具有重要意义,然而现有实验方法不能对其准确测量.本文基于分子动力学方法模拟了丁二酸气溶胶颗粒吸湿生长形成稳定液滴的动力学过程,在此基础上,建立模型计算了液滴的表面张力,进而探究了温度、粒径和丁二酸浓度对纳米液滴表面张力的影响机制.结果表明,随着温度从260 K升高到320 K,液滴内分子间作用力的减弱导致了液滴表面张力的减小,且表面张力的减小程度随丁二酸浓度的增大而增大,究其主要原因在于液滴中丁二酸分子的径向分布随温度和丁二酸浓度变化的差异;随着粒径的增大,液滴表面张力先增大后趋于定值,且粒径对表面张力的显著影响区间随着丁二酸浓度的增大而缩短;研究还发现,丁二酸分子的表面活性导致液滴表面张力随着丁二酸浓度的增大而减小,且减小趋势符合对数函数形式,尤其是在粒径小于6.12 nm时,同时,基于Szyszkowski公式对液滴的表面张力进行了拟合.本文研究成果能为气溶胶颗粒的吸湿生长和相关动力学过程预测理论及模型的改进提供参数依据.     

液滴在润湿梯度表面运动的分子动力学模拟

本文进行了液滴在不同润湿梯度表面运动的分子动力学模拟,通过改变Lennard-Jones(LJ)势参数来实现表面的不同润湿性。模拟结果表明在润湿梯度差为10°的界面上,疏水表面的液滴运动更快,达到最终界面所需时间最短,并且液滴运动方向距离最远。当润湿梯度差为20°和30°时,液滴在疏水表面工况的运动速度与从疏水跨越到亲水的工况之间的差距越来越小,并且液滴在从疏水跨越到亲水的工况达到了最远的运动距离。同时,润湿梯度差的增加也引起了液滴运动速度的增大。     

基于范德瓦尔斯表面张力模式液滴撞击疏水壁面过程的研究

液滴撞击疏水壁面过程的研究在介观流体力学和微流体作用材料科学的研究中具有重要的理论意义和工程价值. 论文在SPH方法中引入范德瓦尔斯状态方程处理液滴表面张力, 考虑流体粒子之间远程吸引, 近程排斥的内部作用力, 提出了流体粒子与疏水壁面粒子间势能函数与表面张力相结合的作用模式. 通过模拟真空条件下两个静止的等体积液滴相互融合的过程, 验证了计算模式在模拟液滴的表面张力中的有效性. 采用该模式模拟的液滴撞击疏水壁面过程, 不仅能够有效地模拟液滴撞击壁面后的变形过程, 而且清晰地模拟出液滴的回弹、腾空以及二次撞壁现象的完整过程. 模拟结果与液滴撞击疏水壁面的实验结果以及VOF模拟结果符合较好, 表明本文所提出的表面张力和疏水壁面作用力处理模式对模拟液滴撞壁过程具有实际应用价值.     

Droplet transient migration and dynamic force balance mechanism on vibration-controlled micro-texture surfaces

In this paper, forced vibration was used to regulate the droplet migration, fully recording the transient migration of droplets on a micro-textured substrate under the resonance frequency by a high-speed camera. The influence of resonance frequency and dynamic migration characteristics of droplets on the solid micro-texture surface under lateral vibration were researched. The experiment demonstrates that the driving force is caused by the difference between the left and right contact angles made the droplet oscillate and migrate, and as time t increases, the left and right contact points are periodically shifted and the amplitude of migration increases. Therefore, based on the droplet migration behavior and its force balance mechanism, a spring vibration model of migration behavior of the vibrating droplet micro unit was set up to predict the complete trajectory of its migration on a solid surface. The calculation results show that the theoretical displacement is less than the experimental displacement, and the longer the time, the larger the difference. Affected by the vibration, part of the droplet permeates through the micro-texture, resulting in the droplet losing height and the contact angle becoming smaller as well. While the other part of droplet overcomes the internal surface tension to migrate.     

The theory of droplet diffusiophoresis for concentrated solutions

The theoretical diffusiophoresis velocity is obtained for a droplet of a concentrated solution suspended in a binary gaseous mixture. The droplet is characterized by a high thermal conductivity. The droplet radius is assumed to be much greater than the mean free path for gaseous-mixture molecules. One of the gaseous-mixture molecular components is the vapor of the droplet solvent. According to the formula obtained in this study, the droplet is driven toward lower concentration of the volatile gaseous-mixture component by diffusive slip and in the opposite direction by phase transition. An increase in the relative mass concentration of the volatile solvent in the droplet enhances effects associated with the dependence of surface tension on the volatile-component concentration and the reactive transport due to the surface nonuniformity of phase transition. As the relative mass concentration of the volatile solvent in the droplet approaches unity, the effect of diffusive slip tends to vanish.     

纳米流体液滴内的光驱流动实验及其解析解

在光透过性的流体介质中添加具有高光响应特性的纳米颗粒,可以形成光驱动纳米流体,实现对光能的高效利用.本文针对光驱纳米流体流动行为开展实验观察和理论分析研究,这是实现光驱纳米流动精确调控的理论基础.首先利用粒子图像测速技术对液滴中直径为300 nm的Fe3O4颗粒在不同光源照射下受Marangoni效应诱导的运动进行了实验观测,研究光能向动能的高效转化机制.实验结果表明,当颗粒浓度大于临界数密度时,可诱导出垂向具有对称结构的涡,在液滴底部颗粒由四周向中心运动,顶部则由中心向四周运动,光源频率和颗粒数密度是这一过程的主导因素.随后,针对光强高斯分布的紫外光驱动下大颗粒数密度、特征流速约mm/s的光驱纳米流体,通过Stokes方程和表面张力梯度边界条件实现了其流场分布的解析求解,理论获得的流场分布解析解与实验测量结果保持一致,证实定量理论分析的有效性.最后,讨论了引入表面张力与在液滴底部引入表面压力及体相中集中引入光辐射力的不同驱动模式之间的相关性.这一研究成果为光微流控系统中流动行为的精确调控及光能的高效转化等提供了理论支持.     

界面张力对Rayleigh-Taylor不稳定性的影响

将具有简单速度势的Layzer模型和Zufiria模型推广至非理想流体情况, 并分别利用这两种模型研究了界面张力对Rayleigh-Taylor不稳定性的影响. 首先得到了两种模型下气泡的渐近速度和渐近曲率的解析表达式; 其次系统研究了界面张力对气泡的渐近速度和渐近曲率的影响; 最后将两种模型进行了比较, 并将气泡的渐近速度和数值模拟进行了比较. 研究表明: 界面张力压低了气泡的速度, 但对曲率没有影响; 利用简单速度势的Layzer模型所得的气泡的渐近速度比复杂速度势的Layzer模型的值小, 但是比Zufiria模型的值大; 当阿特伍德数等于1时, 简单速度势的Layzer模型和复杂速度势的Layzer模型给出的结果一致. 关键词： Rayleigh-Taylor不稳定性 界面张力 Layzer模型 Zufiria模型     

Transient convective burning of a periodic fuel-droplet array

The transient convective burning of fuel-droplets interacting within 3-D infinite periodic arrays in a hot gas stream is numerically studied for the first time, with considerations of droplet regression, deceleration due to the drag of the droplets, internal liquid motion, variable properties, non-uniform liquid temperature, surface tension, and n-octane one-step oxidation kinetics. Depending upon the initial conditions and other constraints, a flame is established early as either a wake flame or an envelope flame. An initial envelope flame remains an envelope flame, and an initial wake flame has a tendency to develop from a wake flame to an envelope flame. The flame shows no strong tendency to modify significantly the standoff distance during the lifetime of the droplet. For an initial wake flame, the moment of wake-to-envelope transition is advanced as the initial droplet spacing (intermediate) is decreased, but tends to be postponed as the initial droplet spacing is further reduced. The burning rate at smaller initial droplet spacing or smaller initial Reynolds number might be greater for some period during the lifetime because of an earlier wake-to-envelope transition which elevates the average surface temperature. Lower ambient temperature yields a later wake-to-envelope transition time and smaller mass burning rate. At the lower ambient pressure with the same initial relative stream velocity, the average surface temperature is reduced, the wake-to-envelope transition is later, and the mass burning rate is smaller. Validation of our analysis is made by comparing with the results of an isolated droplet Wu and Sirignano [11].