纳液滴撞击固体表面润湿行为的分子动力学模拟

发布时间：2020-04-07 04:11

【摘要】：液滴撞壁现象一直是基础研究和工程应用领域的焦点,涵盖纳米-微观-介观-宏观等各个尺度领域。在宏观、介观尺度上,研究者通过CFD仿真以及实验已经总结出液滴拓扑演变的判据,其被归结为We数、Re数以及Oh数三者之间的关系。但是在纳微米尺度上,分子间作用力起着重要的作用,引起不同于宏观尺度下流体的行为和性质。随着微纳米技术的发展,对纳微米液滴在表面或界面的变形与流动的物理力学研究日益突出。本文采用分子动力学模拟方法,从原子或分子层次探讨纳液滴撞击过程中原子的运动轨迹、分子团簇的整体行为演化。利用分子动力学模拟软件LAMMPS实现了对纳米水滴撞击平坦、弯曲壁面以及双纳米水滴级联撞击平坦壁面过程中润湿行为的分析。结果表明:1)通过指定液滴初始撞击速度、固-液之间的相互作用L-J势阱深度以及液滴初始直径等各种初始参量,模拟了单纳米水滴撞击平坦壁面的流动过程,总结出液滴沉积、回缩、反弹、破碎等液滴撞击动力学现象随参量变化的规律。液滴初始动能越大,越有利于液滴发生较大形变;固-液之间的势阱深度越深越能促进铺展,抑制液滴回缩;当液滴直径小于120?,液滴净吸力减小,造成较小的表面能,因此有必要考虑尺寸因素对铺展特性的影响。2)单纳米水滴撞击弯曲壁面时,壁面不仅作为水分子运动的边界,而且关系着壁面总粘附功。随着曲率增大,液滴越倾向于完全润湿整个壁面后滴落或脱离壁面飞溅。当液滴不能完全润湿基底时,液滴更倾向于回缩,然后沉积或反弹。3)液滴间的耦合特性影响了液滴撞击过程中液滴的流动演化与铺展特性。通过观测双纳米水滴碰壁过程的形态演化过程及构型,定量分析了各相关参量对其铺展特性的影响。在较大速度下或者液滴中心距较小时,双纳米水滴径向并列撞击壁面在其中心轴线因径向交涉而出现射流使得初期轴向铺展因子明显增大。对于垂直串联的两液滴级联撞击壁面,先撞的液滴将在壁面形成瞬态变化的壁面附着膜,后撞的液滴因撞击而嵌入先撞的液滴中,固-液之间的势阱深度越深越有利于反弹。
【图文】：

液滴撞击壁面铺展特性的研究背景及科学意义撞击壁面及其在璧面上的运动、形态演化过程称为液滴撞击壁面在于自然界以及各类技术应用上，涵盖纳米-微观-介观-宏观等各观、宏观领域，液滴撞击壁面的作用机理以及形态演化的判据在制造业等相关领域被广泛应用并取得了一定的成果，，如降膜蒸发药喷洒以及移液沉积等[1-7]。受时空限制，纳米液滴撞击壁面的实但在纳微尺度上纳液滴撞击壁面及其在璧面上的运动、形态演化反弹、指状飞溅等运动的机制及其各形态演化的无量纲判别条件亟速航空发动机燃油喷雾燃烧过程中，雾化的液滴以各种粒径存在微纳液滴撞击气缸壁面后的行为特征以及质热传递性能影响着油排放，如图 1.1 所示[8]。此外，清华大学航天航空学院陈民教授与固体表面碰撞过程中的动力学行为是发展纳米喷墨、飞机防冰3D 打印技术中的关键问题[9,10]。

在连续介质假设的框架下满足传统流体力学规律。在处理跨尺度关联问题时，如何把纳微米尺度上力学行为表征耦合宏观尺度上经典流体力学规律具有许多棘手的细节问题，但这也是跨层次、多尺度研究的科学价值所在。移动接触线具有明确的跨尺度、多尺度特性，必须耦合物理力学方法或建立多尺度模型，从微观角度深入研究的它的物理本质，从而为解决 Huh-Scriven 佯谬导致的力学奇异性开辟新机制的研究以及为宏观层次上动态表面湿润性能提供新方法、新手段。
【学位授予单位】：安徽农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB126

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本文编号：2617430