基于相场法的格子Boltzmann模型模拟非牛顿流体液滴撞击壁面及融合

发布时间：2020-06-10 22:00

【摘要】：流体液滴撞击壁面和液滴融合在生产实践中应用广泛,例如喷墨打印、农药喷洒、表面喷涂和喷雾冷却等。液滴的撞击及其融合过程受到许多因素的作用,如撞击速度、液滴物性以及壁面湿润性等等。其中,液滴撞击和融合过程会由于非牛顿流体和牛顿流体的本构关系不同而存在显著差异。近十几年,非牛顿流体被广泛应用在工业生产中,并在控制液滴沉积的领域中发挥着重要的作用,例如在印刷电路板、芯片、传感器等生产中,为了获得高质量的产品,需要精细控制液滴在壁面上的行为并避免液滴发生溅射和反弹,为此,人们常利用流体的非牛顿特性来实现对液滴沉积的控制。因此,研究非牛顿液滴的撞击以及融合过程对于解决工程问题有深刻的指导意义。然而,目前关于非牛顿液滴撞击和融合的实验研究存在一定局限性,并且在不同的壁面湿润性、撞击速度以及表面张力等条件下,对非牛顿液滴撞击壁面以及融合过程的数值研究仍有大量不足。因此,需要进一步探究不同条件下非牛顿流体液滴撞击和融合等物理过程。格子Boltzmann方法是从介观粒子动力学发展而来用于描述流体运动的数值方法之一。基于介观描述的格子Boltzmann方法已被广泛应用到描述两相流以及非牛顿流体流动的模拟中,并且与其他方法相比,格子Boltzmann方法具有易于编程、天然并行性的特点。因此,本文采用格子Boltzmann方法数值模拟非牛顿流体液滴撞击以及融合等过程。本论文基于相场法的两相流理论描述,发展了格子Boltzmann方法与有限差分的混合数值方法,实现了对非牛顿流体、牛顿流体的两相流模拟。不可压缩流体流动采用不可压缩多松弛格子Boltzmann方法模拟,界面的动态变形则用对流Cahn-Hilliard方程描述,并采用有限差分法求解。本文基于上述耦合模型数值模拟了非牛顿流体液滴在壁面的撞击过程以及两个同种液滴在壁面上初期融合过程。论文的主要工作以及结论如下:(1)简要介绍了格子Boltzmann方法,推导了格子Boltzmann-BGK模型(LBGK模型)恢复至宏观方程的过程,并建立了不可压缩多松弛格子Boltzmann模型。(2)发展了求解非牛顿流体的不可压缩格子Boltzmann模型,并基于相场方程发展了关于牛顿流体、非牛顿流体的两相流格子Boltzmann模型,计算了非牛顿流体的方腔流流动以及静置非牛顿液滴Laplace定律。(3)在固壁边界处引进考虑静态接触角影响的湿润边界条件,实现了格子Boltzmann耦合模型对不同湿润性壁面上的液滴接触问题的描述,采用该模型模拟了液滴在壁面上的静态接触过程和动态接触过程。(4)在液滴撞击过程中,幂律指数n越小越有利于液滴沉积,幂律指数n越大液滴越容易发生溅射。幂律流体液滴达到稳定状态后的铺展长度只与壁面湿润性有关。此外,随着韦伯数We的增大,假塑性液滴撞击壁面后能更快地达到稳定,而膨胀性液滴则更容易发生溅射。当静态接触角较大,即壁面高度疏水时,膨胀性液滴撞击壁面后在回缩过程中会发生完全反弹。(5)对液滴初期融合过程的研究发现,膨胀性流体液滴融合的速度最快,其次是牛顿流体,假塑性流体融合最慢。此外,当静态接触角θ~(eq)等于90~°时,幂律液滴融合初期时的液桥半径与时间的平方根呈正比,这一规律与牛顿流体一致。
【图文】：

形态图,液滴,壁面,形态

硕士学位论文面湿润性较强或者液滴撞击速度较慢时，在撞击壁面后液滴始终，并在达到稳定后铺展长度保持不变的状态；快速溅射（Prompt s边缘液体在粗糙表面的影响下发生破碎，以小液滴的形式向四周在撞击速度较大的情况；冠状溅射（Corona splash）是形成冠状的水降膜流动以及冲击力的大小有关；收缩溅射（Receding breakup）温度的影响导致表面张力减小以致液滴在回缩过程中发生破裂，，边缘液体会沸腾导致溅射；部分回弹（Partial rebound）是在回流体脱离液滴，而另一部分流体附着在壁面上，这种现象跟壁面全反弹（Complete rebound）是液滴以较大速度撞击到超疏水性表中液滴完全脱离壁面的现象。

液滴,壁面,液桥

图 1.2 两液滴在壁面上的融合[26]Figure 1.2 The coalescence of two drops on solid surface[26]年来，学者们对两个同种液滴在壁面上的融合早期的液桥1998 年 Eggers 等[27]从理论上分析了粘性机制下(Re<1；惯值，记为液滴 Re，简记 Re)两液滴的融合，得到融合的液系。2004年Wu等[28]实验研究了两液滴在表面张力作用下初机制(Re>1)下，液桥长度 r 与时间 t 的平方根成正比即满文献中提出的规律。2005 年 Aarts 等[29]实验发现当液滴的度足够大时，在液滴融合的初始阶段，液桥长度的增长速在 1.5±0.5 时，惯性效应做主导，并得到液桥长度与时间年 Ristenpart 等[30]通过实验和理论研究了两个液滴在强浸液滴融合由表面张力驱动，研究表明在融合初期，液桥长成正比。并且，液滴的半径和液滴初始接触高度会显著地融合速率，，而对于两个自由液滴间的融合，其融合速率基
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O373

【参考文献】