竖直表面液滴运动的数值模拟

为研究具有不同润湿特性的表面上液滴运动的规律,本文依据液滴接触角与基底方位角的关系以及运动液滴的动态接触角模型,运用Fluent软件,实现了对竖直表面上静止和运动液滴的数值模拟,得到了液滴的形貌以及内部的速度分布。模拟所得竖直表面上静止液滴和运动液滴的接触角和形貌均与实验结果吻合较好。液滴内部速度分布表明,裸铝表面(亲水)上液滴的运动方式为滑动;114°疏水表面上的液滴内部出现不完整的环流,但仍然以滑动运动为主;而145°疏水表面上液滴以滚动方式向下运动,液滴运动较快。     

微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟

微小液滴在不同能量表面上的润湿状态对于准确预测非均相核化速率和揭示界面效应影响液滴增长微观机理具有重要意义. 通过分子动力学模拟, 研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态. 结果表明, 固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同液滴铺展速率和润湿特性. 固液作用强度小于1.6的低能表面呈现疏水特征, 继续增强固液作用强度时表面变为亲水, 而固液作用强度大于3.5的高能表面上液体呈完全润湿特征. 受微尺度条件下非连续、非对称作用力影响, 微液滴气液界面存在明显波动, 呈现与宏观液滴不同的界面特征. 统计意义下, 微小液滴在不同能量表面上铺展后仍可以形成特定接触角, 该接触角随固液作用强度增加而线性减小, 模拟结果与经典润湿理论计算获得的结果呈现相似变化趋势. 模拟结果从分子尺度为核化理论中的毛细假设提供了理论支持, 揭示了液滴气液界面和接触角的波动现象, 为核化速率理论预测结果和实验测定结果之间的差异提供了定性解释.     

超亲水-超疏水组合壁面冷凝性能研究

本文通过水热法,结合气相沉积法和掩膜紫外光刻法,在玻璃基底上成功地制备了一种具有多尺度结构的超亲水-超疏水组合壁面,并对制备的具有不同润湿差异的组合壁面的冷凝效率进行了测试。结果表明壁面的冷凝效率取决于亲疏水区域的宽度和润湿性差异,其中当亲水区域宽度为0.80 mm,接触角约为0°,疏水区域宽度为0.95 mm,接触角为158°时,其冷凝效率相比光滑铜片的冷凝效率可以提高39%。进一步分析表明,液滴在极端润湿模式的组合表面的润湿分界线处具有较高的体积传输速率,且在超亲水区形成的连续微流通道加快了冷凝液滴快速排放,提高了整体表面的自更新能力。本文的研究,将为复杂润湿界面滴状冷凝的优化提供方向。     

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.     

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。     

纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟

采用三维多相流格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM),对纳米结构超疏水表面液滴的冷凝行为进行模拟研究.通过Laplace定律和光滑表面的本征接触角理论对三维LBM模型进行定量验证.模拟分析了超疏水表面纳米阵列的几何尺寸和润湿性的局部不均匀性对冷凝液滴形核位置和最终润湿状态的影响规律.结果表明,较高的纳米阵列使液滴在纳米结构间隙的上部侧面和底部优先形核长大,通过采用上下不均匀的间隙可避免液滴在底部形核长大,而在上部侧面形核的冷凝液滴在生长过程中向上运动,其润湿状态由Wenzel态转变为Cassie态;较低的纳米阵列使液滴在纳米结构底部优先形核长大,液滴的最终润湿状态为Wenzel态;润湿性不均匀的纳米结构表面使液滴在阵列顶端亲水位置处优先形核长大,成为Cassie态.冷凝液滴在不同几何尺寸的纳米结构表面上的最终润湿状态的模拟结果与文献报道的实验结果符合良好.通过模拟还发现,冷凝液滴在生长过程中的运动行为与液滴统计平均作用力的变化有关.本文的LBM模拟再现了三维空间中液滴的形核、长大和润湿状态转变等物理现象.     

亲水性微观粗糙表面润湿状态转变性能研究

以亲水性微观粗糙表面上不同几何形貌及分布的微柱阵列为对象, 讨论了液滴在亲水性粗糙表面上的润湿过程以及润湿状态的转变阶段. 从能量角度分别考察了微观粗糙结构几何形貌及分布、微柱几何参数、固体表面亲水性、接触角滞后作用等因素对液滴润湿状态转变的影响规律. 研究发现: 在亲水粗糙表面, 正方形微柱呈正六边形阵列分布时, 液滴更容易形成稳定的Cassie状态, 或者液滴仅发生Cassie状态向中间浸润状态的转变; 与此同时, 减小微柱间距、增大方柱宽度或圆柱直径、增大微柱高度、增强固体表面的亲水性将有利于液滴处于稳定的Cassie状态, 或阻止润湿状态向伪-Wenzel或Wenzel状态转变; 然而, 当液滴处于Cassie状态时, 较小的固-液界面面积分数或减弱固体表面亲水性能均有利于增大液滴的表观接触角, 因此在亲水表面设计粗糙结构时应综合考虑润湿状态稳定性和较大表观接触角两方面因素; 此外, 接触角滞后作用对于液滴状态的稳定性以及疏水性能的实现具有相反作用的影响. 研究结果为液滴在亲水表面获得稳定Cassie状态的粗糙结构设计方法提供了理论依据. 关键词： 亲水表面 微观粗糙结构 表面自由能 润湿状态转变     

超疏水-疏水组合表面蒸汽冷凝的实验研究

液滴的快速脱落和移除对蒸汽滴状冷凝传热具有重要的影响,超疏水表面由丁二具有接触角大,接触角滞后小的优点而用于驱动冷凝液滴的自发运动,但是,常压蒸汽在超疏水表面冷凝时,液滴的润湿形态还没有定论。本文设计了超疏水疏水条纹间隔排列的超疏水一疏水组合表面,研究了常压蒸汽在组合表面上的冷凝过程,观测了液滴的运动特性,测量了超疏水一疏水组合表面上常压蒸汽冷凝传热性能。实验结果显示疏水区液滴在表面张力差的作用下从疏水区向超疏水区自发迁移,说明超疏水区液滴处于Wenzel润湿形态,超疏水一疏水组合表面蒸汽冷凝传热性能比完全超疏水和完全疏水表面传热性能的面积加权平均值大。说明液滴的自发迁移运动强化了疏水区的传热性能。     

疏水性润湿梯度表面液滴脱离过程的实验研究

基于标准MEMS工艺设计并加工了一种具有微结构的疏水润湿梯度表面,通过光学可视化测试系统,采用高速图像采集装置和标准振动台研究了液滴与润湿梯度表面脱离过程中,形态、接触角、受力等参数的变化规律。结果表明:液滴在与疏水润湿梯度表面脱离过程中,将出现拉伸现象,处于相对疏水侧的边缘脱离速度要快于处于相对亲水侧。脱离过程中液滴高度、宽度和接触角变化可明显分为两个区域,两区域内液滴高度、宽度和左右两侧接触角变化呈现出显著不同。通过液滴与微结构顶部间受力分析发现,润湿梯度造成的液滴受力不均是导致液滴边缘脱离速度出现不对称的原因。     

液体弹珠碰撞固着液滴的影响因素及动力学分析

液体弹珠具有不润湿/不黏附,以及与外界进行选择性物质交换等特性,可以作为微量液滴承载体,广泛运用于微流控、化学/生物微反应器等新兴领域.碰撞可作为弹珠进行物质传递的一种操控方法,区别于液滴-液滴或弹珠-弹珠的碰撞,弹珠与液滴的碰撞行为更为丰富与复杂,对其的研究可为以弹珠为媒介的物质的有效传递奠定理论基础.本文利用高速摄像机拍摄技术,捕捉了液体弹珠与固着液滴碰撞过程,探究了不同奥内佐格数(Oh)以及壁面亲/疏水性(接触角:θ为35.4°—124.5°)下弹珠与液滴之间的碰撞过程.结果表明:在亲水壁面时,以翻越的形式与液滴结束碰撞;当改用疏水壁面后,以回弹行为取代翻越;当壁面疏水性提高接触角达到θ=124.5°时,有效碰撞面积增大,碰撞后在界面产生的波动使弹珠表面的颗粒迁移,出现裸露区域,形成液桥后快速完成聚结-合并(聚并).弹珠与固着液滴碰撞后,会出现三种运动行为即翻越、回弹以及聚并.     

有结构壁面上液滴运动特征的耗散粒子动力学模拟

本文采用耗散粒子动力学方法, 研究了恒定外力驱动下液滴在有结构壁面上的运动过程. 通过研究液滴在通过壁面结构时前缘接触点和前进角的变化, 分析了液滴的运动特征. 研究结果表明, 在不同润湿性或不同外力驱动下, 存在使液滴运动最快的“最优”壁面结构, 并对其机理进行了讨论. 本文还探讨了壁面润湿性、热涨落以及外力对液滴运动状态的影响. 关键词： 微流体 有结构壁面 润湿性 耗散粒子动力学(DPD)     

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.     

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.     

高温壁面润湿性对气层稳定性及其壁面滑移性能的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的小尺度效应,采用分子动力学方法模拟了传热效应以及流体流动行为,研究在壁面温度影响下,不同润湿性壁面上方气层生成状态以及流体流动时气层的稳定特性和相应的减阻性能.结果表明:当壁面为纯疏水壁面时,不能形成气层;疏水基底+亲水组合壁面形成不规则气层;纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面能形成规则气层.当流体流动时,疏水基底+亲水组合壁面气层消失,而纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面气层较为稳定.纯疏水壁面主流区域速度较大,而纯亲水壁面主流区域最低.对于壁面滑移速度,存在气层的壁面滑移速度与纯疏水表面相对接近,甚至稍优于纯属疏水表面,而疏水基底+亲水组合壁面滑移速度最小.     

Simulation solution for micro droplet impingementon a flat dry surface

This paper presents a computational fluid dynamics approach for micro droplet impacting on a flat dry surface. A two-phase flow approach is employed using FLUENT VOF multiphase model to calculate the flow distributions upon impact. The contact line velocity is tracked to calculate the dynamic contact angle through user defined function program. The study showed that the treatment of contact line velocity is crucial for the accurate prediction of droplet impacting on poor wettability surfaces. On the other hand, it has much less influence on the simulation of droplet impacting on good wettability surfaces. Good fit between simulation results and experimental data is obtained using this model.     

改性疏水固壁润湿性反转现象的格子Boltzmann方法模拟

基于疏水固壁改性会引起润湿性反转的特点,采用考虑固体与液体间分子力的格子Boltzmann方法,从壁面的线性和瞬时改性两方面对润湿性反转现象进行了数值模拟,并结合流体体积方法处理界面层质量.结果表明:壁面线性改性的过程中润湿性反转变化平稳,润湿所需时间大幅减少,所得到的接触角与固液吸引力系数的关系与其他文献结果一致;壁面瞬时改性幅度越大说明固壁对液滴作用力越强,表现为润湿性变化越明显,瞬时改性后接触角随时间呈指数规律变化,这与现有结论相符合.研究发现:在改性条件下液膜铺展过程中伴随着振荡变化,线性改性的振动峰值与改性幅度相关;瞬时改性的液膜速度会在某一时刻突然增大,这种现象与夹带空气有关.     

Adhesion comparison of human bone marrow stem cells on a gradient wettable surface prepared by corona treatment

Corona discharge treatment was applied to modify the surface of polyethylene (PE). The wettability of PE surface was gradually increased by power increase of a corona treatment along the PE length, indicating that the hydrophilicity of PE surface increased gradually. The adhesion and proliferation behavior of human bone marrow stem cells (hBMSCs) on the gradient PE surface was evaluated. We found that hBMSCs were adhered to and proliferated on better highly hydrophilic than hydrophobic surfaces. The plot of proliferation rate vs. the water contact angles was parabolic. These results indicate that surface wettability plays an important role in the cell attachment and proliferation.     

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.