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.     

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     

液滴低速撞击润湿球面现象观测分析

采用高速摄像仪以10000 帧/s的拍摄速度对液滴低速撞击润湿球体表面过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击后的反弹、局部反弹和铺展等现象, 考察了黏度对撞击过程的影响; 在此基础上, 定量讨论了液滴铺展特征参数随撞击速度、球体直径和黏度的变化规律. 观测发现: 黏度较大且撞击速度较低时, 撞击后可能出现反弹和局部反弹, 黏度较小时则不发生; 铺展面积随撞击速度的增大而增大; 黏度增大时, 铺展因子减小; 在球体直径为4–20 mm范围内, 随着球体直径的增加, 铺展因子呈上升趋势. 关键词： 液滴撞击 润湿球面 铺展 黏度     

液滴在非互溶大黏度比液体表面的铺展特性

利用基于润滑理论的液滴在非互溶液体表面铺展的物理模型,探讨大黏度比情形下黏度比对液滴演化过程和平衡形状的影响,分析液滴厚度、铺展半径等特征参数的变化。结果表明：接触线附近液—液界面的变形受黏度比和表面张力比的影响;提高黏度比将导致铺展速率降低、时间常数减小,进而延长演化历程,但不影响液滴最终稳定形状;铺展半径与时间的关系满足x_max= 1 - 0.2 exp(- βt);大黏度比液滴铺展后期并未出现小黏度比时的惯性振荡现象。     

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.     

固体表面液滴铺展与润湿接触线的移动分析

液滴在固体表面上的铺展行为与润湿特性对许多工业生产过程的研究具有重要意义.根据液滴在光滑表面上的受力情况,建立了液滴平壁铺展的动力学模型.应用润滑近似方法和二维Navier-Stokes方程,建立了液滴沿理想表面铺展的动量和连续性方程.根据建立的方程,应用数值解法求解并详细分析了液滴在铺展过程中膜厚、接触线铺展半径以及铺展速度随时间的变化关系.研究结果表明:液滴的铺展过程可分为扩展和收缩两个阶段,铺展过程伴随着表面能、动能以及各种势能的相互转化,液滴最终的铺展半径大小由固体基面固有的润湿特性所决定;液滴在铺展过程中出现的"坍塌效应"与弯曲液面处的Laplace压力差有关;铺展半径随时间变化的标定律近似满足"1/7"次方标度律.     

液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性

基于润滑理论,采用滑移边界条件建立了二维液滴厚度的演化模型和移动接触线动力学模型,利用数值计算方法模拟了均匀加热基底上固着液滴蒸发时的动力学特性,分析了液-气、固-气和液-固界面张力温度敏感性对壁面润湿性和液滴动态特性的影响.结果表明,液滴的运动过程受毛细力、重力、热毛细力和蒸发的影响,重力对液滴铺展起促进作用,而毛细力、热毛细力则起抑制作用;通过改变界面张力温度敏感性系数,可使液滴蒸发过程中的接触线呈现处于钉扎或部分钉扎模式,且接触线钉扎模式下的液滴存续时间低于部分钉扎模式;提高液-气与液-固界面张力温度敏感系数均可改善壁面润湿性能,加快液滴铺展速率;而增大固-气界面张力温度敏感系数则导致壁面润湿性能恶化、延缓液滴铺展过程;通过改变固-气界面张力温度敏感系数更有利于调控处于蒸发状态下的液滴运动.     

亲疏水间隔条纹壁面上液滴铺展特性研究

本文采用CLSVOF方法对液滴撞击亲疏水间隔条纹壁面的过程进行了数值模拟,重点研究撞击速度和撞击点对液滴铺展行为的影响。结果表明,液滴在撞击亲疏水间隔条纹壁面后容易分裂出卫星液滴,其分裂的地点都是在疏水条纹上;较大的撞击速度使得卫星液滴数目迅速增多,但是这种分裂行为并不会大幅度增加液滴与固壁的接触面积;虽然撞击点的不同会使得液滴倾向于朝不同的方向铺展,但这种行为对液固接触面积的影响却很小。     

受热基底上的液滴铺展及换热特性

液滴在受热基底上的铺展特征将直接影响其传热特性.基于润滑理论建立了单液滴在受热基底上的演化模型,模拟了壁温均匀和自中心向两侧呈指数规律衰减两种情形下液滴的铺展历程,提出了一种针对二维液滴表面热流密度和传热量的计算方法,借助该方法分析了液滴铺展特征及外部对流换热条件对传热特性的影响,所得结果与已有文献有较好的一致性.结果表明:当壁温均匀时,液滴在重力驱动下呈现具有"单峰"结构的对称铺展特征,表面热流密度由两侧向中心递减;液滴表面积随时间小幅增大,传热能力有所增强.当壁温自中心向两侧呈指数规律衰减时,液滴铺展明显呈现三个阶段特征,厚度剖面由"单峰"结构渐变为"双峰"结构,且"双峰"峰值随时间先增大后减小,该变化源于重力和热毛细力的复杂博弈及在演化过程中的交替主导地位;液滴中心处热流密度不断增大,"双峰"处热流密度则持续减小;接触线处热流密度相比邻近有一明显跃升;液滴表面积随时间显著增大,传热能力有效提高.增强外部对流换热条件虽将减缓液滴铺展过程,抑制其表面积增大,但总体上有利于提高其传热能力,且随时间增长,该现象愈加显著;增大毕渥数使液滴动态接触角及接触线移动速率的变化发生延迟,但并不改变其总体特征.     

Pb液滴在Ni基底润湿铺展行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了Pb液滴在Ni(100)晶面、(110)晶面和(111)晶面的铺展润湿行为. 结果表明: Pb液滴在Ni(100)及(111)基底上的润湿铺展现象呈各向同性, 而在Ni(110)基底上的润湿铺展现象呈明显的各向异性, 且这种各向异性源于Ni(110)晶面点阵结构上Pb原子沿不同晶向的扩散机制及速度的明显差异; Pb液滴在Ni(111)晶面上铺展时, 未发生表面合金化, 液滴铺展动力学描述近似满足 R² ∝ t, 而液滴在(100)晶面和(110)晶面上铺展时表面产生合金化现象, 铺展动力学关系近似满足 R⁴ ∝ t, 且液滴在(100)晶面上的铺展速度高于(110)晶面上的铺展速度. 关键词： 分子动力学 润湿各向异性 铺展膜 扩散机制     

SiC表面圆环槽边缘效应实验研究

基于固体边缘效应,对碳化硅(SiC)表面激光加工圆环形沟槽的润湿特性进行实验研究,通过分析去离子水在圆环槽上的润湿性能及其在边缘处的铺展行为,获得了环槽深度与环槽宽度对液滴在边缘处最大表观接触角的影响规律.结果表明,SiC圆环槽阻碍液滴铺展,光滑基体表面上接触角为70°,激光加工圆环槽深度为290μm,宽度为1 mm时...     

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.     

不同液膜体系中Marangoni效应对活性剂液滴铺展的影响

针对含可溶性表面活性剂的液滴在预置液膜上的铺展过程,应用润滑理论建立液滴厚度、活性剂表面浓度及内部浓度演化过程的控制方程组,采用PDECOL程序模拟液滴的演化特征,探讨不同液膜体系下Marangoni效应的作用机理,并基于瞬态增长法分析负体系下液滴演化的不稳定性.研究表明,正体系下Marangoni效应可促进活性剂分子扩散,有利于活性剂液滴的稳定铺展;负体系下Marangoni效应则抑制液滴铺展,使液滴在中心区域产生振荡现象,呈现不稳定性特征,且该特征随负效应增强而愈加明显.在正负两种体系下,Marangoni作用力均是促使液滴横向演化的主要驱动力.     

电场下液滴撞击过冷超疏水表面行为研究

本文通过观察液滴在电场作用下撞击不同温度的超疏水表面时的凝固相变行为以及运动特性。实验发现,当壁面温度一定时,随着电场强度的增加,液滴撞击表面的最大铺展系数无明显变化,同时液滴回缩拉伸出现了三种分裂模式,当电场强度较低时,出现珠状分裂;随着电场强度的增加,出现过度状态,进而出现丝网分裂;当电场强度足够大时,整个液滴直接反弹。当电场强度一定时,随着壁面温度的降低,液滴撞击表面的最大铺展系数无明显变化,撞击后液滴拉升高度变化不大,但反弹高度随壁面温度的降低而降低。     

液滴在粗糙固体表面上的铺展特性

本文建立了粗糙固体表面上液滴铺展过程的理论模型并采用了格子Boltzmann方法进行数值模拟,研究了粗糙与光滑表面上液滴铺展过程的形貌变化。研究结果表明,无论表面光滑还是粗糙,液滴都沿着半径方向逐渐铺展,整体首先呈帽形,随着时间的推移,液滴在表面铺展成一平面。粗糙表面与光滑表面铺展特性间的差异主要在于粗糙表面液滴受到粗糙元干扰,其铺展形状随时间推移由圆形向八边形过渡.粗糙元间隙的增大导致液滴润湿半径增大,液滴厚度沿半径方向变化梯度降低。     

液滴撞击冷铝表面的冻结沉积特性

对单液滴撞击冷表面的动态特性进行试验研究,通过快速可视化观测,分析了直径2.6 mm液滴撞击冷铝表面的冻结行为.结果表明,液滴撞击冷表面动态行为可分为铺展、回缩以及冻结沉积阶段.冻结阶段包括铺展过程冻结以及回缩过程冻结.液滴撞击冷壁面前期(0～3.5 ms),We起主导作用,壁面温度对液滴铺展行为几乎无影响。但壁面温度对液滴回缩及冻结过程影响较大.相同We下,壁面温度T-20℃,液滴最大铺展因子基本相同,达到冻结的平衡态铺展因子均小于最大铺展因子,且随壁面温度降低而逐渐增加,为回缩过程冻结.壁面温度T≤-20℃时,液滴最大铺展因子与平衡态铺展因子相同,为铺展过程冻结。本文试验条件下壁面温度-20℃可作为区分液滴撞击冷壁面铺展与回缩冻结的临界温度.     

超声作用下圆板表面液滴铺展雾化特性

对超声激励下圆板表面液滴铺展及雾化行为进行了可视化观测并基于ANSYS Workbench对超声激励下平板表面等效应力分布进行数值模拟,结合等效应力分布特性分析了不同位置液滴雾化行为差异并归纳总结了液滴铺展雾化的三种典型行为,研究结果表明:超声作用可使圆板表面液滴瞬间雾化且表面会形成与应力分布相一致的间隔交替的"雾化环...     

液氮滴撞击壁面相变行为的数值研究

采用Level Set-VOF方法建立单液氮滴撞击壁面的数值模型,探索壁面润湿性(30°—150°)、撞击速度(0.1和1.6 m/s)及壁面温度(300—500 K)对液滴撞壁演化过程中相变行为的影响,并理论推导了气膜生长数学模型.结果表明:增强壁面润湿性、提高撞击速度有利于液滴沿径向铺展,从而增大了换热面积并降低热阻,使换热性能得到显著提升;提高壁面温度增大了换热温差,热流密度随之上升;三相接触线处热阻较小导致边缘处热流密度高于中心处,不同润湿壁面上热流分布的差异性因初始速度的增大而缩小,呈现明显的速度效应;在膜沸腾区,传热过程主要集中在撞击初期,气膜是主要换热热阻;基于质量守恒和能量守恒建立气膜生长数值模型,模型预测结果与本文模拟结果和其他研究结果非常吻合.     

微纳复合结构表面液滴铺展及蒸发特性实验研究

已有研究表明,微纳表面结构能显著强化喷雾冷却性能,但是其强化换热机制尚需进一步深入研究。本文对不同表面温度下液滴在不同微纳复合结构表面的铺展和蒸发行为开展了实验研究。研究结果表明,与液滴在光滑表面的铺展和蒸发性能相比,微纳复合结构表面可以增强液滴的铺展和蒸发,进而提高喷雾冷却换热系数(Heat Transfer Coefficient,HTC)和临界热流密度(Critical Heat Flux,CHF);微米沟槽的宽度越大,蒸发越快;三角形斜交微米柱阵列表面铺展各向同性优于方柱正交阵列。     

非晶态合金表面的水润湿动力学

采用分子动力学模拟方法研究了改进的Simple pointcharge模型SPC/E水滴在Cu_(50)Zr_(50)非晶薄膜上的润湿行为和铺展过程.通过与CuZr(110)和(100)晶面对比研究发现,水滴在Cu_(50)Zr_(50)非晶薄膜表面上表现出较高的铺展速度.水滴在非晶合金表面的铺展过程中形成了明显的吸附层;而在晶态表面,水滴铺展前沿呈脚状形态.分析结果表明非晶表面的水分子在吸附层内呈现完全无序的单层排列方式,而在晶态表面,特别是(100)晶面,吸附层水分子呈双层有序排列.这种吸附层结构的差异导致了吸附层内水分子方向的差异:非晶表面吸附层内水分子方向倾向平行于表面,而晶态基底上吸附层内的水分子倾向于指向液滴内部.由此造成了非晶表面吸附层中的水分子与液滴内部以相对较弱的氢键相互作用,这使得上层水分子能够较容易扩散至吸附层前沿,促进液滴铺展.