固体材料表面带移动接触线两相流问题的格子Boltzmann数值模拟

发布时间：2020-07-24 14:59

【摘要】：随着流动尺度减小,比表面积迅速增加,要能够正确捕捉流场信息,对网格量有较高要求,对此传统CFD方法渐渐显现不足,而格子Boltzmann方法对于模拟小尺度流动具有较大优势。He-Chen-Zhang模型是应用得较为广泛的一种格子Boltzmann两相流模型,它能够很好地模拟固体材料表面小尺度的含移动接触线的两相流动。本文采用He-Chen-Zhang两相流模型研究了:1)重力场中单个液滴沿细丝末端滑移的动力学过程;2)材料表面粗糙结构的几何特征对液膜去湿动力学过程的影响。具体工作如下:(1)基于He-Chen-Zhang两相流模型,模拟了重力场中液滴沿细丝末端滑移的动力学问题,考虑了非理想壁面的接触角迟滞效应。数值结果表明,接触角迟滞效应与细丝边缘的几何尖点均对接触线移动有阻碍作用,使得液滴滑移呈现出不同的滑移模态。对于浸润细丝,液滴滑移呈现出四种不同的运动模态;而对于非浸润细丝,液滴仅存在两种不同的滑移模态。浸润细丝上,液滴滑移时倾向于粘附在细丝表面,即接触线仅可能停留在细丝表面,又或者被钉轧在细丝末端的几何尖点;液滴不能完全与细丝分离,只能整个悬挂在细丝末端,或发生断裂后部分残留在细丝上。非浸润细丝上,液滴无法粘附在细丝表面并达到静态平衡,即液滴会被钉扎在细丝边缘,或者完全与细丝分离,而不会发生液滴的断裂。本文详细研究了Bo数、Oh数以及接触角迟滞对液滴滑移动力学的影响,并给出了六种典型滑移模态在Bo-Oh平面和Bo-θ_R平面的分布。(2)基于轴对称He-Chen-Zhang两相流模型,研究了固体材料表面粗糙结构的几何特征对液膜去湿动力学过程的影响。为对比分析,以Pillar和Mushroom粗糙结构为对象进行研究。数值结果表明,Wenzel状态下的液膜在Pillar结构上去湿时存在三种运动模态。依据Pillar结构凹槽内液相残留情况,液膜去湿过程可分为无残留模态、部分残留模态以及完全滞留模态。对于Pillar结构,给出了三种典型去湿模态在h_3-h_2平面的相图分布,并发现Pillar高度h_2越小,Pillar间距h_3越大,凹槽内液体越不容易滞留。对于Mushroom结构,Wenzel状态下的液膜去湿时仅存在完全滞留模态,且Mushroom高度h_2变化不再影响液膜去湿动力学行为;Mushroom倒钩结构对接触线移动存在阻碍作用,液膜在后退过程中会不断变薄直至被几何尖点“掐断”而形成滞留,在此情况下,液膜去湿速度主要取决于Mushroom间距变化。一般地,Mushroom间距越大,液膜界面在后退过程中耗费在凹槽处的时间越长,表现为液膜去湿演化越发缓慢。本文进一步研究了半Wenzel状态和半Cassie状态下液膜在Mushroom结构上去湿的动力学过程,发现半Cassie状态下液膜去湿速度介于Cassie状态和Wenzel状态之间,而半Wenzel状态下液膜去湿速度与Wenzel状态几乎一致。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U661
【图文】：

1.1 液滴在倾斜通道内蠕动的时间演化过程，接触角迟滞区间在[40o- 55o]和[50o-85o]之行周期性变化图 1.2 液滴进行尺蠖式爬行时接触线位置随时间呈周期性移动

4图 1.2 液滴进行尺蠖式爬行时接触线位置随时间呈周期性移动对于单个液滴或多个液滴沿纤维细丝滑移的两相流问题，Wuetal.研究了纤维细丝上时其几何形状、润湿长度以及表观接触角的大小[41]；Gilet et

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【参考文献】

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本文编号：2769000