随机分布粗糙结构超疏水表面上液滴动态行为的LB模拟研究

发布时间：2020-05-25 22:30

【摘要】：超疏水表面由于其优良的防水性,在节能环保等领域引起了广泛关注。超疏水表面特殊的微-纳结构使其具有多种功能属性,包括自清洁、表面减阻和防结冰等。掌握表面形貌对液滴在超疏水表面流动与传热行为的影响规律,对于优化超疏水材料制备工艺以及开发与超疏水表面相关的能源应用具有重要意义。目前对光滑和规则粗糙超疏水表面液滴动态行为特征有较为深入的理解,然而对自然界和工程实际中大量存在的随机粗糙结构超疏水表面的研究还非常少,尤其是对其微观作用机理的认识还不够具体深入。因此,本文采用格子玻尔兹曼法(lattice Boltzmann method,LBM),从介观尺度模拟研究液滴在随机分布粗糙结构超疏水表面上的三种典型动态行为,包括液滴碰撞壁面反弹、冷凝液滴合并弹跳和液滴蒸发,总结粗糙表面结构对液滴动态的影响规律,为超疏水表面的制备和优化提供了理论指导。首先,根据实验测得的真实表面粗糙参数(峰度、偏度和标准偏差),采用快速傅里叶变换法重构得到随机分布粗糙结构超疏水表面。偏度、峰度和标准偏差分别从表面的尖锐程度、结构的对称性以及结构的起伏程度三个不同角度表征粗糙表面。与实验测量相比,计算机重构方法具有参数可控的特性,可得到任意尺寸和粗糙度的表面,且可通过控制单一变量来研究各个结构参数对超疏水表面性能的影响,这为详细研究随机分布粗糙超疏水表面的性能提供了基础。其次,采用LBM研究了液滴在随机分布粗糙结构超疏水表面的碰撞过程。模拟再现了液滴碰撞超疏水表面后动态行为的细节,主要包括:液滴铺展、回缩和反弹过程;分析了粗糙参数、表面润湿性和液滴撞击速度对液滴弹跳能力的影响。研究发现液滴在偏度值较小、峰度值约为3.0的粗糙表面表现出最好的反弹性能;液滴在具有较大本征接触角的表面发生反弹所需的碰撞速度更小,碰撞接触时间也更短。与规则表面对比发现,可以通过减少表面尖边数量以及沟槽之间的间隔来增强粗糙表面的反弹性能。第三,利用LBM和能量分析法研究了冷凝液滴在随机分布粗糙结构超疏水表面上的合并弹跳行为。主要分析了壁面粗糙结构、润湿性和液滴大小对液滴合并弹跳能力的影响。研究发现,根据粗糙表面的形貌,合并液滴存在三种润湿状态:Wenzel状态、Composite状态和Cassie状态。具有较小偏度、较大标准偏差以及峰度为3.0的粗糙表面,有利于合并液滴弹跳现象的发生;提高表面的非润湿性,可以缩短合并液滴的接触时间,同时增大弹跳速度;合并液滴的最终弹跳状态由表面结构和润湿性共同决定。第四,利用LBM研究了液滴在随机分布粗糙表面上蒸发过程中的钉和解钉机理。研究发现,液滴在粗糙表面上的蒸发模式与接触线附近的粗糙结构密切相关,如沟槽的深度和坡度。在尖边处,接触线的钉本质上是一个缓慢移动的过程,该动态平衡是基于接触线的自发调整来实现的。另外,虽然液滴在随机分布粗糙结构表面上的蒸发模式是随机的,但是在特定设计的表面上,液滴倾向于以一种预期的方式蒸发。最后,基于局部力的平衡,分析了液滴在尖边处发生钉-解钉的原因。至此,本文揭示了超疏水表面的粗糙结构对液滴动态行为的影响规律,这些规律是超疏水表面设计和优化的基础数据。
【图文】：

超疏水,抗结露,结雾,自清洁

图 1-1 超疏水表面的应用，主要包括：液滴碰撞、自清洁、抗结雾、抗结霜、抗结露和防腐减阻Fig. 1-1 The application of superhydrophobic surface (SHS), mainly including droplet impacting,self-cleaning, anti-fog, anti-frost, anti-dew, anti-corrosion and drag reduction1.1.1 超疏水表面的基本概念固体表面的润湿性通常用表面上水滴的接触角来表征。接触角小于 90°的表面称为亲水表面；接触角大于 90°的表面称为疏水表面；接触角大于 150°、滚动角小于 10°的表面称为超疏水表面。下面将简要介绍与超疏水表面有关的一些基本概念。(1) 光滑表面的接触角。如果将水滴放置在平坦、光滑和化学成分均匀的表面上，其局部接触角将严格取决于液体的表面张力和表面的化学性质(表面能)。杨氏方程描述了固-液-气三相接触线处，界面张力之间的平衡。对于光滑表面，杨氏接触角定义如下：LVSVSLYcos (1-1

粗糙表面,液滴,形状,接触角

滴在粗糙表面的形状。(a) Wenzel 状态；(b) Cassie-Baxter a liquid droplet on a rough surface. (a) Wenzel state; (b) Cas渗入到粗糙结构中，与固体表面完全接触。Wenzel 基于杨氏接触角 θY和粗糙度 rs，给出了 Wenzel 状态WsYcos rcos 糙度，定义为固体表面的真实面积与其表观面积的比面粗糙度 rs增加，根据基材的表面化学性质，W 状是亲水性的，那么表面粗糙化会降低其接触角。相变粗糙则会增加其接触角。停留在粗糙结构的顶部，陷入粗糙结构内部的气体述了非均匀润湿状态，并给出了 C-B 状态对应的接coscos1CsYs f f
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O647

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