固體材料表面帶移動(dòng)接觸線兩相流問題的格子Boltzmann數(shù)值模擬

發(fā)布時(shí)間：2020-07-24 14:59

【摘要】：隨著流動(dòng)尺度減小,比表面積迅速增加,要能夠正確捕捉流場信息,對(duì)網(wǎng)格量有較高要求,對(duì)此傳統(tǒng)CFD方法漸漸顯現(xiàn)不足,而格子Boltzmann方法對(duì)于模擬小尺度流動(dòng)具有較大優(yōu)勢(shì)。He-Chen-Zhang模型是應(yīng)用得較為廣泛的一種格子Boltzmann兩相流模型,它能夠很好地模擬固體材料表面小尺度的含移動(dòng)接觸線的兩相流動(dòng)。本文采用He-Chen-Zhang兩相流模型研究了:1)重力場中單個(gè)液滴沿細(xì)絲末端滑移的動(dòng)力學(xué)過程;2)材料表面粗糙結(jié)構(gòu)的幾何特征對(duì)液膜去濕動(dòng)力學(xué)過程的影響。具體工作如下:(1)基于He-Chen-Zhang兩相流模型,模擬了重力場中液滴沿細(xì)絲末端滑移的動(dòng)力學(xué)問題,考慮了非理想壁面的接觸角遲滯效應(yīng)。數(shù)值結(jié)果表明,接觸角遲滯效應(yīng)與細(xì)絲邊緣的幾何尖點(diǎn)均對(duì)接觸線移動(dòng)有阻礙作用,使得液滴滑移呈現(xiàn)出不同的滑移模態(tài)。對(duì)于浸潤細(xì)絲,液滴滑移呈現(xiàn)出四種不同的運(yùn)動(dòng)模態(tài);而對(duì)于非浸潤細(xì)絲,液滴僅存在兩種不同的滑移模態(tài)。浸潤細(xì)絲上,液滴滑移時(shí)傾向于粘附在細(xì)絲表面,即接觸線僅可能停留在細(xì)絲表面,又或者被釘軋?jiān)诩?xì)絲末端的幾何尖點(diǎn);液滴不能完全與細(xì)絲分離,只能整個(gè)懸掛在細(xì)絲末端,或發(fā)生斷裂后部分殘留在細(xì)絲上。非浸潤細(xì)絲上,液滴無法粘附在細(xì)絲表面并達(dá)到靜態(tài)平衡,即液滴會(huì)被釘扎在細(xì)絲邊緣,或者完全與細(xì)絲分離,而不會(huì)發(fā)生液滴的斷裂。本文詳細(xì)研究了Bo數(shù)、Oh數(shù)以及接觸角遲滯對(duì)液滴滑移動(dòng)力學(xué)的影響,并給出了六種典型滑移模態(tài)在Bo-Oh平面和Bo-θ_R平面的分布。(2)基于軸對(duì)稱He-Chen-Zhang兩相流模型,研究了固體材料表面粗糙結(jié)構(gòu)的幾何特征對(duì)液膜去濕動(dòng)力學(xué)過程的影響。為對(duì)比分析,以Pillar和Mushroom粗糙結(jié)構(gòu)為對(duì)象進(jìn)行研究。數(shù)值結(jié)果表明,Wenzel狀態(tài)下的液膜在Pillar結(jié)構(gòu)上去濕時(shí)存在三種運(yùn)動(dòng)模態(tài)。依據(jù)Pillar結(jié)構(gòu)凹槽內(nèi)液相殘留情況,液膜去濕過程可分為無殘留模態(tài)、部分殘留模態(tài)以及完全滯留模態(tài)。對(duì)于Pillar結(jié)構(gòu),給出了三種典型去濕模態(tài)在h_3-h_2平面的相圖分布,并發(fā)現(xiàn)Pillar高度h_2越小,Pillar間距h_3越大,凹槽內(nèi)液體越不容易滯留。對(duì)于Mushroom結(jié)構(gòu),Wenzel狀態(tài)下的液膜去濕時(shí)僅存在完全滯留模態(tài),且Mushroom高度h_2變化不再影響液膜去濕動(dòng)力學(xué)行為;Mushroom倒鉤結(jié)構(gòu)對(duì)接觸線移動(dòng)存在阻礙作用,液膜在后退過程中會(huì)不斷變薄直至被幾何尖點(diǎn)“掐斷”而形成滯留,在此情況下,液膜去濕速度主要取決于Mushroom間距變化。一般地,Mushroom間距越大,液膜界面在后退過程中耗費(fèi)在凹槽處的時(shí)間越長,表現(xiàn)為液膜去濕演化越發(fā)緩慢。本文進(jìn)一步研究了半Wenzel狀態(tài)和半Cassie狀態(tài)下液膜在Mushroom結(jié)構(gòu)上去濕的動(dòng)力學(xué)過程,發(fā)現(xiàn)半Cassie狀態(tài)下液膜去濕速度介于Cassie狀態(tài)和Wenzel狀態(tài)之間,而半Wenzel狀態(tài)下液膜去濕速度與Wenzel狀態(tài)幾乎一致。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U661
【圖文】：

液滴,時(shí)間演化,周期性變化,接觸角

1.1 液滴在傾斜通道內(nèi)蠕動(dòng)的時(shí)間演化過程，接觸角遲滯區(qū)間在[40o- 55o]和[50o-85o]之行周期性變化圖 1.2 液滴進(jìn)行尺蠖式爬行時(shí)接觸線位置隨時(shí)間呈周期性移動(dòng)

幾何形狀,液滴,細(xì)絲,尺蠖

4圖 1.2 液滴進(jìn)行尺蠖式爬行時(shí)接觸線位置隨時(shí)間呈周期性移動(dòng)對(duì)于單個(gè)液滴或多個(gè)液滴沿纖維細(xì)絲滑移的兩相流問題，Wuetal.研究了纖維細(xì)絲上時(shí)其幾何形狀、潤濕長度以及表觀接觸角的大小[41]；Gilet et

示意圖,示意圖