基于化学势晶格Boltzmann方法研究接触角现象

发布时间：2020-04-18 02:11

【摘要】：多相流普遍存在于工业生产和日常生活中,它主要是研究具有两种以上的不同相态的多相流体运动。在计算流体力学中,借助数值模拟技术不断发展成为一种可靠的交叉学科,其高效性、精确性和扩展性也被普遍证实,它在多相流研究中得到了广泛的应用。近三十年来,晶格Boltzmann方法已经成为一种新的计算流体力学方法,它起源于分子动理论和格子气自动机,使用介观的动理学方程模拟研究宏观的流体行为,具有宏观和微观方法的优势。该方法在多相流研究领域中取得了突出的贡献,优势为:1.算法比传统模型更为简单,不需对复杂宏观的Navier-Stokes方程求解,只需对晶格Boltzmann方程求解;2.复杂的几何边界得到有效处理;3.由于LBM的演化具有局域性,非常适合于高性能并行计算。本文采用基于化学势晶格Bolzmann方法的多相流模型,模拟研究了接触角现象,对微观接触角形态、接触角测量和接触角的运动进行了深入分析。化学势作为一个重要的热力学强度量,代表定压下的偏摩尔吉布斯自由能,在处理相变和化学变化的问题时具有重要意义。本文直接从化学势出发计算非理想力,再将非理想力作用于晶格Bolzmann方程中,这样避免了计算压力张量及其散度,因此具有更高的数值计算效率;还从自由能密度函数出发计算出了几个常用的流体状态方程化学势。并结合化学势边界条件用于研究固体表面的润湿性,测量的接触角可以通过表面化学势线性调节。接触角在表面湿润、毛细现象和移动接触线等问题中是基本的特征量。接触角是气液固三相相互作用的结果,虽然数值计算中已经可以有效的模拟接触角现象,可是接触角还不能够被实时地精确测量。本文中设计了一种几何的方法来实时测量接触角。在忽略重力条件下,该方法计算结果与球冠模型的理论预期保持高度一致,而且不受液滴大小的影响;在考虑重力条件下,虽然液滴呈明显的变形,但是测量所得的微观接触角保持不变,与理论预期相吻合。当基板倾斜时,液滴会滑过具有不同化学势的亲疏水条带,实验发现前进角逐渐增大伴随着后退角逐渐减小,并且前进角和后退角变化不同步,从而导致接触角波动状态。在动态接触角迟滞中,前进角与后退角之间有一个微小的相位差,造成了液滴滑动时的高阶波动形象,该方法能够实时的测量接触角。本文在理论和数值模拟的基础上,分别验证了基于化学势多相流模型的主要特点与优势:1、化学势多相流模型的构建,直接利用化学势计算非理想力,再将非理想力作用于晶格Boltzmann方程中。在计算时间和空间上具有更高效性,因为他避免了计算压力张量及其散度。2、化学势多相流模型具有理论坚实,概念清晰,计算效率高。本文选择最常用的几种流体状态方程所对应的化学势,算出来的实验值与Maxwell等面积构造的解进行比较,从模拟数值结果上验证该模型不仅具有热力学一致性和伽利略不变性,而且还具有很好的稳定性和高精度。3、基于化学势的多相流模型和球冠模型模拟的计算数据进行对比验证,发现模拟计算出来的数据与基准的球冠模型的数据高度吻合,为实时测量研究接触角有了坚实的基础。由于化学势可以线性调节润湿性的程度,在介观结构下测量接触角,发现化学势模型计算结果具有更高的精确性和高效性。4、基于化学势晶格Boltzmann多相流模型的初步应用,在化学异构表面上接触角的测量。对于给定的液滴,在没有重力下,与球冠模型完全吻合,说明化学势多相流模型可以精确的测量接触角;在有重力下,我们模拟了不同半径的液滴,与球冠模型进行数值对照,发现基于化学势多相流模型测量接触角几乎不变。分别对静态接触角迟滞和动态接触角迟滞做了大量的模拟实验,用数值模拟做了严格的分析与研究。利用化学势线性调节液滴表面的润湿性,可以准确的计算出前进角和后退角。对于动态接触角,还研究了动态接触角的轨迹及迟滞波动的规律。
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格子模型

]22()())[122RTuRTeuRTeuiii 有广泛的应用价值，，其中DnQm模型平]22()[122422ssisiicuceuceu 权系数，sc 为晶格速度。该参数的选取下的需求，有许多不同维度的模型被发二维 D 2Q5、D 2Q7、D 2Q9、D 2Q13、D 2的晶格 Boltzmann 模型中，ie 代表速度为了研究的需求与可靠性采用了常用的

模型图,模型,相邻边,边界条件

图 2.2 D3 Q19模型 2,7~181,1~60,0iii ,7~18361,1~6181,031iiii 流体流动时，边界条件起着非常重要的作用。边界条件重要步骤，选取边界恰当与否直接影响着数值模拟的正确点采用碰撞迁移规则进行演化，边界条件的作用是可以布函数，但相邻边界流体点的分布函数未知。晶格Boltz点的已知分布函数计算相邻边界的未知分布函数。介绍
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O359

【参考文献】