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     

楔形体上复合液滴润湿铺展行为的格子Boltzmann方法研究

固壁上液滴的润湿铺展行为是自然界中普遍存在的现象,针对楔形体上的复合液滴,采用基于相场理论的格子Boltzmann方法对其润湿铺展行为进行探究.通过理论分析和数值模拟,发现液滴润湿面积随接触角、楔形体顶角的减小而增大,液滴也越容易分裂.处于理论分裂临界状态附近的液滴,在一定密度比、黏度比条件下将沿楔形体壁面分裂.基于模拟结果生成以密度比、黏度比为坐标的液滴分裂状态相图,比较发现相同条件下初始状态为平衡态的复合液滴更不易发生分裂.另外模拟还表明非对称界面张力及非对称运动黏度比也是影响液滴分裂结果的重要因素.     

液滴撞击液膜过程的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法对液滴撞击液膜过程进行了研究, 主要考察了雷诺数(Re)、韦伯数(We)、相对液膜厚度 (h) 以及表面张力 (σ) 等物理参数对界面运动过程的影响. 首先, 随着Re数和We数的增加, 可以明显观察到液滴撞击液膜过程中形成的皇冠状水花以及卷吸现象; 当Re数较大时, 液体会发生飞溅, 由液体飞溅形成的小液滴则会继续下落, 并与液膜再次发生碰撞. 其次, 当相对液膜厚度较小时, 液滴撞击液膜并最终导致液膜断裂; 然而随着相对液膜厚度的增大, 尽管撞击过程溅起的液体会越来越多, 但是液膜并不会发生断裂. 再次, 随着表面张力的增大, 界面变形阻力增大, 撞击过程中产生的界面形变也逐渐减弱. 最后还发现皇冠(由液滴溅起形成)半径r 随时间满足r/(2R) ≈ α√Ut/(2R), 这一结果与已有结论是一致的.     

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.     

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.     

蒸汽剪切驱动液滴行为的格子Boltzmann模拟

滴状冷凝过程中,存在蒸汽流动对液滴的吹扫作用,液滴在蒸汽剪切作用下克服壁面黏附变形和运动,液滴运动速度越大,冷凝传热性能越高。但是液滴在蒸汽作用下变形和运动的细节还不清晰,蒸汽速度对液滴变形和运动的影响机理还不明确。本文采用自由能格子Boltzmann方法研究了在不同蒸汽速度剪切作用下,液滴在具有不同润湿性固体表面上的变形和运动过程,分析了蒸汽速度和接触角对液滴变形和运动的影响机制,结果显示随着蒸汽速度的增加,液滴变形越大,液滴在固体表面的运动速度越大,停留时间越短,有利于液滴的移除和表面更新,相同蒸汽速度的作用下,液滴在接触角大的固体表面上变形和运动速度越大,也有利于液滴的移除和表面更新。从而定性或半定量地揭示了蒸汽速度影响蒸汽滴状冷凝传热的物理机制。     

弹跳液滴与超疏水表面的换热特性研究

了解弹跳液滴在固体表面的动力学和传热特性对于促进自清洁、防冰和热管理等领域的发展是至关重要的。本文通过数值模拟的手段研究了冷液滴撞击热超疏水表面的过程。本文中提出了一种混合相场格子玻尔兹曼模型来描述液滴动力学和液固传热过程,并通过单个液滴在固体表面的铺展过程和定量冷却效率验证了所提出模型的正确性。随后对单个液滴碰撞超疏水表面的动力学行为和换热过程进行了模拟,结果表明热流密度不仅与液固接触面积有关,还与液滴与基体之间的温差有关。此外增大液滴的韦伯数对换热过程有促进作用,而增大液滴的雷诺数反而会抑制换热。     

大液滴撞击不同润湿性小球的三维格子Boltzmann方法模拟

采用三维多松弛(MRT)Shan-Chen的格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟液滴撞击不同润湿性固体小球(液滴直径与小球直径比大于1)的动态过程,在多种方法验证计算模型准确性的基础上,探究液滴韦伯数、小球表面润湿性对液滴撞击小球动态过程的影响,以及液滴撞击小球后形成片层的几何特征与球面润湿性的关系。结果表明：液滴撞击小球后将形成钟罩形的片层,撞击亲水小球后的片层则会出现凹痕。当小球表面润湿程度一定时,片层的最大底径随韦伯数增大而增加。撞击亲水小球时,片层形成后会完全闭合,韦伯数越大,且片层完全闭合的时刻越早,并在闭合过程中片层容易发生破裂。而撞击疏水小球时,韦伯数越大,则片层发生破裂的时刻越早;在片层打开过程中,破裂后的片层成环条状下落,即片层的几何特征受韦伯数和小球润湿程度的共同影响。     

润湿梯度作用下液滴在倾斜表面向上运动的格子Boltzmann模拟

采用基于Shan-Chen伪势模型的格子Boltzmann方法,对液滴在存在润湿梯度的倾斜表面上克服重力、自下而上运动的过程进行模拟。探究润湿梯度、液滴尺寸、Bond数以及表面倾斜角度对液滴运动的影响。计算结果表明：液滴在运动过程中,内部会出现沿斜面向上的速度矢量,润湿梯度越大,液滴运动速度越快,润湿长度也越长,且动态接触角减小速率越快。液滴尺寸和Bond数对液滴运动的影响较小,但存在临界Bond数,超过该临界Bond数时,液滴将沿梯度润湿表面向下运动。表面倾角对液滴运动有显著影响,倾角增大,液滴运动速度和润湿长度都明显减小。     

Numerical modeling of condensate droplet on superhydrophobic nanoarrays using the lattice Boltzmann method

In the present study,the process of droplet condensation on superhydrophobic nanoarrays is simulated using a multicomponent multi-phase lattice Boltzmann model.The results indicate that three typical nucleation modes of condensate droplets are produced by changing the geometrical parameters of nanoarrays.Droplets nucleated at the top(top-nucleation mode),or in the upside interpillar space of nanoarrays(side-nucleation mode),generate the non-wetting Cassie state,whereas the ones nucleated at the bottom corners between the nanoarrays(bottom-nucleation mode) present the wetting Wenzel state.Time evolutions of droplet pressures at the upside and downside of the liquid phase are analyzed to understand the wetting behaviors of the droplets condensed from different nucleation modes.The phenomena of droplet condensation on nanoarrays patterned with different hydrophilic and hydrophobic regions are simulated,indicating that the nucleation mode of condensate droplets can also be manipulated by modifying the local intrinsic wettability of nanoarray surface.The simulation results are compared well with the experimental observations reported in the literature.     

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。     

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.     

相变过程的格子Boltzmann方法模拟

应用Shan提出的伪势多相模型替代R-K着色模型,建立一种新的描述气液相变过程的格子Boltzmann理论模型,模拟蒸发(高密度转化为低密度)过程.改进了计算效率,且得到较好的计算结果.同时应用该模型从孔隙尺度模拟了多孔介质中的相变现象,验证了该模型模拟复杂相变问题的可行性.     

Lattice Boltzmann simulations of a dumbbell moving in a Poiseuille flow

In this paper, the lattice Boltzmann method is applied to simulate a dumbbell moving in a pressure-driven flow in a planar channel with the stress-integration method for the evaluation of hydrodynamic force acting on the cylinders. The simulation results show that the dumbbell also has the important feature of the Segr\'e--Silberberg effect like a particle in a Poiseuille flow. The dumbbell trajectories, orientations, the cylinders vertical velocities and angular velocities all reach their equilibrium values separately independent of their initial positions. It is also found that the dumbbell equilibrium positions depend on the flow Reynolds number, blockage ratio and elastic coefficient. This study is expected to be helpful to understand the dynamics of polymer solutions, polymer synthesis and reaction, etc.