振动平板上液滴棘齿运动的理论与数值研究

发布时间：2021-01-22 00:09

　　液滴棘齿运动在自然界和工业界中广泛存在,是当前流体力学领域的热点问题之一,该问题的研究对于生物医学、材料学和仿生学等领域都有着重要的科学意义。为此,本文针对振动倾斜平板上的液滴爬升现象,斜齿振动平板上的液滴棘齿运动机制和倾斜振动的水平平板上的复合液滴棘齿运动问题,采用扩散界面方法,开展了数值模拟研究和理论分析,主要内容和研究成果如下:（1）揭示了液滴在振动倾斜平板上的爬升机制。采用三维数值模拟方法,首次提供与实验定量符合的数值结果（Brunet et al.,2007）。再者,液滴棘齿运动虽然源于平板倾斜于纵向振动方向破坏了系统的几何对称性,但其力学效应体现在施加在液滴上的简谐振动与其润湿面积的周期性变化间存在迟滞效应。具体地,液滴向平板下端运动的半周期润湿面积大于向平板上端运动的半周期。为此我们对振动液滴的一周期内受力平衡展开理论分析,建立了此棘齿机制相关的流体力学模型。模型考虑了平板振动、重力和接触角迟滞等效应,并且模型预测的尺度率关系和数值结果对比良好。（2）探究了液滴在振动斜齿平板上由于平板结构不对称性导致的两种运动模态及其对应的棘齿机制。数值模拟结果中将斜齿带来的各向异性简化... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：146 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．４振动倾斜平板上的液滴振动形态侧视图（Ｂｒｕｎｅｔ?ｅｉａ／．，２００７）

????Ｔｉｍｅ?（ａ．?ｕ．）??图１．５?（ａ）竖直和水平耦合振动液滴的双振子模型（Ｎｏｂｌｉｎ?ｅｈＬ，?２００９６）。⑷模型反馈的棘齿??状运动示意图。??＆?Ｔｈｉｅｌｅ?（２０１０）建立了一种小平板倾角二维润滑模型。他的模型预测液谪振动存在??截止频率（与实验工作趋势一致），并认为液滴定向运动的原理是由于斜向振动的竖??直分量影响了液滴高度影响的水平方向的移动能力，从而导致液滴在水平方向出现不??对称的运动。其中，水平方向的移动能力在该模型中与液滴的高度（几何效应）和粘??性相关。基于此模型，他提出了液滴定向运动速度与振幅Ｍ和倾角／？间的尺度率??关系：??〈ｗ〉？命，?（１．１）??总体来说，该润滑模型得到了比较好的定性结论，并从力学角度解释了液滴振动运动??的原理，但仍有较大的局限性。毕竟液滴的接触线运动规律和粘性、惯性力作用规律??对于二维液滴和真实的三维液滴之间存在非常大的差别

?１０００??Ｔ??图１．６润滑模型下的定向平均速度尺度率（Ｊｏｈｎ?＆?Ｔｈｉｅｌｅ，?２０１０）。??作用下液滴可能存在爬升的情况，并给出了爬升的临界条件。（Ｂｅｎｉｌｏｖ＆Ｂｉｌｌｉｎｇｈａｍ，??２０１１）建立了不同的浅水（ｓｈａｌｌｏｗ?ｗａｔｅｒ）模型，主要讨论液滴惯性，表面张力作用??和振动三种力学机制的竞争。以上的工作主要围绕此问题中液滴在各类不同理论假设??环境下的爬升可能性而展开，并且受到过多理论假设的制约，对于棘齿机制的一般性??力学原理理解贡献不足。??与之类似地，Ｂｒａｄｓｈａｗ?＆Ｂｉｌｌｉｎｇｈａｍ?（２０１６）在同样的理论框架下，专门针对此??问题中接触角迟滞的作用开展了理论研究，他的研究模型所做假设与Ｂｅｎｉｌｏｖ?（２０１１）??比较接近，其结果与Ｂｅｎｉｌｏｖ?（２０１１）也定性相符。并且指出了模型假设范围内不同的??接触线速度－接触角次幂对于振动的影响。同样的，这些理论工作都受制于理论假设??和模型的限定范围


本文编号：2992149