双液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的LBM模拟

基于格子Boltzmann方法，对液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的过程进行模拟。研究润湿梯度、斜面顶端润湿性、液滴尺寸和Bond数对液滴融合弹跳过程的影响。计算结果表明：在较疏水的润湿梯度斜面上，两个液滴在非平衡张力作用下融合后能够发生弹跳行为；液滴融合速度和跳跃高度最大值均随着润湿梯度的增大而增加；随着斜面顶端润湿性的增大，液滴跳跃高度最大值减小；存在一个最佳液滴尺寸，使得跳跃高度最大值最优。Bond数越大，液滴跳跃高度最大值越小。     

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.     

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。     

基于异形微结构表面的低表面能工质液滴润湿特性研究

尺寸效应是探索异形微结构表面液滴润湿特性的研究基础。本文以单凹角异形微结构和双凹角异形微结构为研究对象,通过数值模拟,得到了微结构的几何参数尺寸与低表面能液滴润湿特性间的变化规律。对于单凹角异形微结构,临界本征接触角随着悬臂长度减小呈指数增加,微结构间的间距直接影响着表观接触角的大小,悬臂高度的增加不利于疏液状态的实现。对于双凹角异形微结构,悬臂长度和悬臂高度不是影响液滴润湿的主要因素,微结构间的间距和支柱高度共同作用下决定了液滴润湿状态。     

倾斜均质表面上等径水滴聚合过程的可视化实验

对倾斜均匀表面上等直径水滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了水滴直径和表面倾角等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径、接触角和接触线变化特性的影响,分析了水滴聚合对其运动的影响.实验结果表明:表面倾角越大,下滑的临界半径越小;液滴的直径越大,液滴聚合后越容易下滑;液滴聚合可以加快液滴的运动,使下滑临界半径减小.     

倾斜均质表面上非等径液滴的聚合特性

对倾斜均匀表面上非等径液滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了液滴半径和表面倾角等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径、接触角和接触线变化特性的影响规律,进一步说明了倾斜表面上液滴聚合可以加快液滴的运动.     

液滴撞击高温梯度锯齿表面的动态行为特性

以铝片为基底制备了倾角连续变化的梯度结构锯齿表面,采用高速摄影仪对液滴撞击高温梯度锯齿表面的动态行为进行了研究。结果表明:在不同温度下,液滴撞击高温梯度锯齿表面会出现四种不同的模式:黏附模式,膨胀模式,炸裂模式以及反弹模式。在一定的温度下,当液滴底部蒸汽膜稳定时,液滴进入反弹模式,且随着锯齿表面温度不同,液滴会向不同方向发生反弹行为,其反弹偏移量与锯齿表面温度、撞击位置、液滴尺寸以及韦伯数(We)等因素有关。基于力学和表面物理化学理论,对液滴的运动行为进行了分析并建立了液滴反弹行为的运动机制模型。     

液滴撞击微尺度矩形沟槽表面的数值研究

采用CLSVOF方法建立了液滴撞击微尺度矩形沟槽表面的三维数值模型,对撞击过程中的动态特性及传热特性进行了数值研究。分析了液滴在微尺度矩形沟槽表面的润湿状态,给出了液滴润湿状态转变的临界速度。研究了表面接触角及撞击速度对液滴铺展特性的影响。数值研究结果表明:微尺度沟梢结构会使液滴在撞击后产生横纵差异。液滴的最大铺展因子随着撞击表面接触角的增大而减小,随着撞击速度的增大而增大。液滴撞击微尺度矩形沟槽表面后,撞击表面的热流量先增大后减小。撞击表面的最大热流量受到表面接触角与沟槽深度的耦合作用,撞击表面的最大热流量随着表面接触角的增大而减小。     

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。     

窄缝通道中液氮的临界热流密度实验研究

本文在实验的基础上对窄缝通道中液氮的临界热流密度进行了实验研究。实验针对3个不同长度和间距尺寸的窄缝通道在多方位倾角的情况下进行。实验测量结果显示窄缝的方位倾角和窄缝的间距尺寸对临界热流密度有很大的影响。临界热流密度随窄缝间距尺寸的减小而减小,随着窄缝倾角的变化先增加(0°-90°)后减小(90°-180°),而窄缝长度对临界热流密度的影响作用较为复杂。通常,临界热流密度在倾角为90°时达到最大值。     

微矩形凹槽表面液滴各向异性浸润行为的研究

受自然界启发,仿生微结构被广泛用于调控固-液界面的性质.研究显示,液滴在微结构表面的各向异性浸润行为可用于实现微流动方向和速度的控制,且其各向异性浸润与微结构的尺寸和分布等密切相关.本文研究了微矩形凹槽尺寸对液滴各向异性浸润行为的影响规律.结果显示,液滴沿平行沟槽的方向具有较小的运动阻力、易铺展,因此具有较小接触角;而垂直于沟槽方向,由于沟槽的阻隔作用具有较大运动阻力,因而具有较大接触角,并且在垂直方向液滴的浸润过程是三相线一系列钉扎和跳跃行为.在微矩形凹槽表面,液滴沿平行方向接触角θ//与肋板宽度R和凹槽宽度G密切相关,其值与表面固体面积比成反比;而垂直于沟槽方向的接触角θ⊥随肋板宽度R和凹槽宽度G变化基本保持不变.同时各向异性液滴的变形比L/W、特征方向接触角比值θ⊥/θ//与表面固体面积比成正比.研究结果有助于加深理解微结构表面浸润行为的机制,并为微矩形凹槽在微流动控制方向的应用提供技术支持.     

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.     

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.     

Wetting of liquid droplets on two parallel filaments

Droplet wetting on two parallel filaments may assume a barrel-shaped morphology or a liquid bridge depending upon the filament diameter and spacing, droplet volume, and contact angle. This paper is aimed to examine the dependency of droplet wetting length upon the above parameters. In the process, morphology of either a barrel-shaped droplet or a liquid bridge sitting on two parallel filaments is determined numerically by using surface finite element method (SFEM). Variation of wetting length with contact angle is examined at varying droplet volume, filament spacing, and droplet morphology. It is found that the droplet wetting length increases with decreasing filament spacing ratio as well as contact angle while it also increases with the growth of droplet volume. The dependency of wetting length upon contact angle behaves sensitive to filament spacing in the case of stable liquid bridges, while it exhibits nearly constant sensitivity to the contact angle in the case of barrel-shaped droplets. The quantitative relations yielded in this study can be considered as characteristic curves applicable for a variety of droplet-on-filament systems, particularly useful to wetting property characterization of filaments, micro liquid delivery, biological cell manipulation, etc.     

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,接触角可达138.5°.随槽深的增大,接触角呈现先增大后趋于稳定的趋势,临界槽深为80μm.当槽深小于该极值时,接触角随槽深的增大而线性增大;当槽深大于该极值时,液滴处于稳定钉扎状态,接触角趋于稳定,其稳定值符合Gibbs不等式.环槽宽度存在一临界值40μm.当槽宽低于该值时,液滴接触环槽外缘后越过沟槽继续在平面上铺展;当槽宽大于该值时,接触角趋于稳定,液滴沿边缘铺展.     

Diffusive properties of motion on a bumpy plane

We report on experiments studying the statistical properties of the motion of balls on a bumpy surface. This motion is found to be diffusive. In the direction of the mean flow, the coefficient of diffusion is found to attain a constant value, independent of the size of the ball and the inclination angle. The diffusion transverse to the mean flow is characterized by a coefficient which decreases with the inclination of the plane, and scales with the size of moving ball. Received: 13 March 1997 / Revised: 10 December 1997 / Accepted: 17 February 1998     

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.     

Dynamical model for chemically driven running droplets

We propose coupled evolution equations for the thickness of a liquid film and the density of an adsorbate layer on a partially wetting solid substrate. Therein, running droplets are studied assuming a chemical reaction underneath the droplets that induces a wettability gradient on the substrate and provides the driving force for droplet motion. Two different regimes for moving droplets--reaction-limited and saturated regime--are described. They correspond to increasing and decreasing velocities with increasing reaction rates and droplet sizes, respectively. The existence of the two regimes offers a natural explanation of prior experimental observations.     

Wetting property of smooth and textured hydrophobic surfaces under condensation condition

Static and dynamic wetting behaviors of sessile droplet on smooth, microstructured and micro/nanostructured surface under condensation condition are systematically studied. In contrast to the conventional droplet wetting on such natural materials by dropping, we demonstrate here that when dropwise condensation occurs, the sessile droplet will transit from the Cassie-Baxter wetting state to the Wenzel wetting state or partial Cassie-Baxter wetting state on the microstructured surface or the micro/nanostructured surface, which leads to a strong adhesion between the droplet and the substrate. In contrast, the apparent contact angle and the sliding angle on the smooth surface changes a little before and after the condensation because of small roughness. Theoretical analysis shows that the roughness factor controls the adhesion force of the droplet during condensation, and a theoretical model is constructed which will be helpful for us to understand the relationship between the adhesion force and the geometry of the surface.