液滴润湿微观过程的分子动力学模拟

发布时间：2020-09-18 17:02

　　当暴露在空气中的固体表面与液体发生接触时,液体取代了固体表面的空气,被固体吸附在表面的行为叫做润湿,例如清晨树叶上的露珠。接触角作为固体表面固气液三相交界处气液界面的切线,是润湿性的量度。传统对接触角的探索主要是实验研究等方法,这些方法对接触角的规律性进行了阐述,却没有从作用机理上对润湿行为解释。本文采用分子动力学模拟的方法,将接触角作为切入点,在获取分子结构和运动信息的基础上,从微观角度了解接触角的形成过程,对润湿行为的研究延伸到分子层面。本文分别建立了氩和水分子组成的气液共存体系、纳米液滴在光滑表面,振动表面以及由方柱组成的粗糙表面润湿的模型,从固液相互作用、水分子模型、固体表面的排列和振动四个方面讨论了光滑表面液滴受到的影响,以及导致粗糙表面接触角形态差异和滞后性的原因。首先,液滴在光滑表面润湿的过程中,固体和液体之间的作用强度决定了液体排除固体表面空气的能力,对接触角的形成起到了主导作用;通过对不同水分子模型的模拟结果表明,分子结构和电荷携带量是水分子模型的主要差异所在,库伦势能占据水分子内部势能的主要部分,决定了水分子之间的相互作用力,导致接触角的不同;不同固体表面排列方式,使得表面对水分子的相互作用有所不同,排列更为紧密的(111)表面的接触角更小;对比不同温度液滴的接触角,发现接触角因为气液界面的差异有所区别。其次,利用分子动力学模拟的方法研究了微纳米液滴在法向机械振动固体光滑表面的振动特性,认为液滴受迫振动受力与质心运动周期与驱动激励周期相同;振动周期和振幅均对液滴的运动规律产生影响,并且两者作用相反;液滴在有简谐激励的光滑表面,都会收到振动输入的能量,当输入的能量达到临界值,液滴会克服固体表面能量的阈值,最终脱离固体表面。最后,对粗糙表面的模拟结果表明,粗糙度和方柱分辨率分别是影响Wenzel形态和Cassie形态表面接触角的主要因素。经过改变粗糙度和方柱分辨率以及将固体表面视为外部振动激励发现,通过增大方柱的高度改变粗糙度和施加固体表面的机械振动是较为有效的将液滴从Wenzel形态转化为Cassie形态的转化的方式。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK124
【部分图文】：

荷叶效应,固体表面,行为,微结构

背景及意义面的润湿行为是平时我们非常熟悉的一种物理现悬挂的水珠，都是润湿行为最直观的表现。受到为利用在生活中的方方面面，尤其是超疏水表面，屏幕的疏水层等等，由此可预见，润湿行为有着广体表面相变换热的换热性能也有很大的影响。通常凝结，此时的表面凝结换热效率会提高 1 到 2 个表面的凝结换热效率进一步增强。船用冷凝器作为组成部分，其换热性能对舰艇的主动力系统有着疏水表面的技术应用于冷凝器，不仅可以促进冷长达到一定尺寸后会发生滚动现象，并融合其他洁的功能。

气液,分子动力学

图 1.2 气液共存系统人[22]利用氩（Ar）分子系统对气断半径对气液共存系统内分子的密宏观物理量——表面张力的表征方huk 等[23]人同时采用了分子动力学果性质相同，验证了分子动力学对分子动力学对氩分子和水分子团簇力结果与实验结果相近。Mecke 等合体系进行了模拟，从分子分布密界面具有连续变化的特点。Tsuruta于液面的速度决定了气液之间的交Kr）作为工质，对气液界面进行了面是有序分布的，而且在截断半径[29]对多个温度的 Lennard-Jones 流

接触角,能量观点,自由焓,液滴

图 1.1 Young 接触角人[42]从能量观点导出了 Young 方程，在液滴润湿行为稳定后态，将液滴移动产生一个小的位移，使各项界面的面积发生dALG，则系统的自由焓的变化为SL SL SG SG LG LGdG = γ dA + γ dA +γdA动时，有：cosSG SLLG SLdA dAdA θdA= =和式（1.3）可知：( cos )LG SG SL SLdG = γ θ γ +γdA，dG=0，故cosSG SL LGγ = γ +γ θ

【参考文献】