平行板挤压下液滴铺展行为的介观模拟研究

发布时间：2020-05-12 21:02

【摘要】：液滴在受平行板挤压下出现的铺展行为常见于微电子元器件的粘接、人体关节间的润滑等,其中存在三相接触线运动等复杂的微尺度流动行为。针对这一问题,本文采用粗粒化的分子动力学方法,即多体耗散粒子动力学(MDPD:Many-body Dissipative Particle Dy-namics)方法来模拟具体的物理过程,研究了液滴在平行板挤压下的铺展行为,为其实际应用提供数值指导。首先,针对三相移动接触线(角)的MDPD模拟,本文提出了一种测量三维液滴接触角(线)的YDF(Y-direction Distribution Function)算法,并验证了该算法的准确性和鲁棒性。通过改变液滴粒子和壁面粒子之间保守力来获取不同的亲疏水性壁面,得到了牛顿流体液滴静态接触角θstatic与参数Ast之间的具体对应关系,可构建的壁面静态接触角范围为40°θstatic140°。本文验证了牛顿流体液滴三相移动接触线模拟的准确性,MDPD模拟结果与水动力学理论吻合较好,从而证明了 MDPD方法在液滴模拟中的可行性,也为研究在平板挤压下液滴的铺展行为打下坚实的基础。其次,本文模拟并分析了在平板挤压下的牛顿流体液滴的铺展行为,其具体表现为液滴接触角与接触线的变化情况。在准静态挤压过程中,根据系统自由能的变化情况,整个挤压过程可以被分成两个阶段:下板(静止板)接触线回缩阶段和上板(挤压板)及下板的接触线对称铺展阶段,并针对这两个阶段的挤压铺展行为进行了理论分析,同时研究了上板挤压速度对铺展行为的影响。另外,本文研究了上板的亲疏水性质对牛顿流体液滴铺展行为的影响规律,找到了各工况下的下平板接触线不存在收缩现象的临界挤压速度,较为清晰地描述了平板挤压牛顿流体液滴的整个过程。最后,通过设计两种不同类型的MDPD粒子并改变粒子间的保守力受力情况构建了一种会自发地形成有规律拓扑结构的屈服应力流体模型。其屈服应力特性及粘度变化与Herschel-Bulkley流体模型具有较好的吻合度。本文根据泊肃叶流动的速度剖面图可以将流场分成类“固体”属性区域和类“流体”属性区域两大部分,证明了当地的应力值与流体模型屈服应力的大小关系决定了流域的属性和划分。基于此,本文利用该流体构建了一个屈服应力流体液滴,进一步研究了在平行板挤压下该液滴的铺展行为,得到了在相同湿润性壁面的条件下,屈服应力流体液滴的下板接触线最大收缩程度小于牛顿流体液滴的下板接触线最大收缩程度的结论。
【图文】：

动态接触,尺度,角度,接触线

在研究接触线问题时，通常会遇到接触角迟滞的问题。接触角迟滞是指液滴移逡逑动前其接触角大小先于接触线位置发生变化的现象，同时接触线移动前最大和最小接触角逡逑的差值即为迟滞角，如图１－４邋（ｃ）所示。很多学者也对这一有趣的现象展开了研究。例如，逡逑Ｍａｋｋｏｎｅｎ邋［６（１】将热力学理论加入到了接触线移动模型当中，除了之前已经认可的带有耗散逡逑性质的摩擦力外，另外在光滑壁面上找到并量化了一个类似于热力学起源中固体滑动摩擦逡逑的力心１。Ｃｈｅｎ等人１６２】用耗散粒子动力学方法模拟研究了存在不同亲疏水性微柱的壁面如逡逑何去影响液滴接触线移动的问题，得出了润湿性问题是一个基于接触线的问题，而不是基逡逑于接触面积问题的结论，符合湿润性在Ｗｅｎｚｅｌ邋（如图１－４邋（ａ）所示，液体填满粗糙表面的逡逑间隙）和Ｃａｓｓｉｅ邋（如图１－４邋（ｂ）所示，液体并不能充满粗糙表面的凹槽）状态［６３】之间相互转逡逑变的观点。但是，，Ｃｈｅｎｇ等人［６４］通过实验证明了润湿性问题是一个基于接触线的问题，这逡逑５逡逑

迟滞现象,接触角,状态,液滴

逦邋Ｄｉｓｔａｎｃｅ邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｃｏｎｔａｃｔ邋ｌｉｎｅ，邋ｓ逡逑图１－３动态接触线附近的角度、长度尺度情况。左图中的大图表示宏观流动区域，小图代表了微逡逑观流动区域，两个尺度的过渡阶段用渐近线连接；右图表示随着远离接触线位置处接触角的变化情逡逑况１５６１。逡逑例如，Ｄ邋ｉ邋ｎｇ等人１５７１运用扩散界面的方法模拟研究了两相流接触线运动中的润湿条件，逡逑证明了目前使用表面能的策略并不能使界面的斜率等于接触角，故提出了一种能产生规定逡逑接触角的几何公式。另外，Ｋｕｓｕｍａａｔｍａｊａ等人１＾８１调和了在前文中提到的扩散界面模型中与逡逑移动接触线相关的滑动长度的两个比例律，得到了扩散界面和尖锐界面模型内滑移长度的逡逑计算方式。还证明，在模型的自由能函数中修改微观界面项只会影响到扩散界面区域内的逡逑滑动长度值，而滑动长度一致尖锐界面区域仅仅依赖于宏观变量。Ｌｕｏ等人【５９】尝试设立合逡逑理有效的边界条件
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V465;O35

【相似文献】