梯度润湿表面上液滴定向迁移及合并行为的格子Boltzmann模拟
发布时间：2021-06-08 21:39
采用改进的格子Boltzmann方法,对梯度润湿性表面上液滴的定向迁移及合并行为进行了数值模拟,该模型在精度和稳定性上都有很大改善,同时,研究了梯度润湿性表面上液滴定向迁移和合并的动力学特性,并对液滴尺寸及润湿梯度对液滴动力学特性的影响规律进行了分析。数值结果表明,液滴在梯度润湿性表面运动时会发生形变,且动态接触角逐渐减小。润湿梯度对液滴定向迁移行为有显著影响,润湿梯度越大,液滴左右侧接触线位移越大,润湿长度增加越快。但是液滴尺寸对接触线位移影响较小。润湿梯度对液桥宽度基本无影响,但对液滴初始合并时间有显著影响。
【文章来源】：计算力学学报. 2019,36(04)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１Ｄ２Ｑ９离散速度模型Ｆｉｇ．１ＤｉｓｃｒｅｔｅｖｅｌｏｃｉｔｙｍｏｄｅｌｆｏｒＤ２Ｑ９
Δｐ＝ｐｉｎ－ｐｏｕｔ＝σｒ（１３）首先，计算区域（２０１×２０１）中央设置一个半径为２０的液滴，四周设置为周期性边界条件。模拟时通过改变液滴半径ｒ获取进行，Δｐ为液滴内外压力差。由于界面处密度变化很大，导致气液界面附近压力波动很大，计算Δｐ时可忽略不计，如图２（ａ）所示。从图２（ｂ）可以看出，Δｐ与１／ｒ成线性关系，斜率为表面张力，约为０．２３１４４。为了验证上述改进模型的适应能力，图３给出Ｐ－Ｒ状态方程的共存曲线。其中，Ｔｒ和ρｒ分别为无量纲的饱和温度和密度。可以发现，模拟得到图２无重力场中静态液滴模拟结果（ｒ０＝２０）Ｆｉｇ．２Ｓｔａｔｉｃｄｒｏｐｌｅｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎａｇｒａｖｉｔｙ－ｆｒｅｅｆｉｅｌｄ（ｒ０＝２０）图３Ｐ－Ｒ状态方程共存曲线Ｆｉｇ．３ＣｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅｃｕｒｖｅｓｏｆＰ－Ｒｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｅ的气液密度与Ｍａｘｗｅｌｌ理论解吻合很好，且当Ｔｒ＝０．６２时，密度比可以达到５６１。因此，本文改进的Ｓｈａｎ－Ｃｈｅｎ模型在精度和稳定性上有很大改善。在Ｓｈａｎ－Ｃｈｅｎ伪势模型中，给定流体粒子间相互作用强度Ｇ，可通过调整Ｇａｄｓ获取不同接触角。模拟时，计算区域为２０１×１０１，上下边界采用标准反弹格式以实现无滑移边界条件，左右边界采用周期性边界条件。初始时刻，半径为３０的液滴置于ｘ＝１０１和ｙ＝３１处，当运行至时间步长
图２（ａ）所示。从图２（ｂ）可以看出，Δｐ与１／ｒ成线性关系，斜率为表面张力，约为０．２３１４４。为了验证上述改进模型的适应能力，图３给出Ｐ－Ｒ状态方程的共存曲线。其中，Ｔｒ和ρｒ分别为无量纲的饱和温度和密度。可以发现，模拟得到图２无重力场中静态液滴模拟结果（ｒ０＝２０）Ｆｉｇ．２Ｓｔａｔｉｃｄｒｏｐｌｅｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎａｇｒａｖｉｔｙ－ｆｒｅｅｆｉｅｌｄ（ｒ０＝２０）图３Ｐ－Ｒ状态方程共存曲线Ｆｉｇ．３ＣｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅｃｕｒｖｅｓｏｆＰ－Ｒｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｅ的气液密度与Ｍａｘｗｅｌｌ理论解吻合很好，且当Ｔｒ＝０．６２时，密度比可以达到５６１。因此，本文改进的Ｓｈａｎ－Ｃｈｅｎ模型在精度和稳定性上有很大改善。在Ｓｈａｎ－Ｃｈｅｎ伪势模型中，给定流体粒子间相互作用强度Ｇ，可通过调整Ｇａｄｓ获取不同接触角。模拟时，计算区域为２０１×１０１，上下边界采用标准反弹格式以实现无滑移边界条件，左右边界采用周期性边界条件。初始时刻，半径为３０的液滴置于ｘ＝１０１和ｙ＝３１处，当运行至时间步长ｔ＝２００００时达到平衡状态。图４给出接触角ＣＡ与流固间相互作用强度Ｇａｄｓ之间的关系，可以看出，液滴接触角与Ｇａｄｓ成线性关系，这与文献［２５］的结论一致。４结果与讨论４．１梯度润湿性表面上液滴定向迁移的动力学行为为了研究润湿梯度对液滴定向迁移过程的影响，采用上
【参考文献】：
期刊论文
[1]液滴碰撞液膜复合level set-VOF法的数值分析[J]. 李大树,仇性启,郑志伟,张铎. 高校化学工程学报. 2017(03)
[2]相分离过程的离散Boltzmann方法研究进展[J]. 许爱国,张广财,甘延标. 力学与实践. 2016(04)
[3]组合表面调控液滴特性强化蒸汽冷凝传热[J]. 彭本利,马学虎,兰忠,徐威,温荣福,白涛. 化工学报. 2015(10)
[4]非平衡与多相复杂系统模拟研究——Lattice Boltzmann动理学理论与应用[J]. 许爱国,张广财,李英骏,李华. 物理学进展. 2014(03)
[5]润湿性梯度表面上液滴运动的数值模拟[J]. 隋涛,蒋亮,汪家道,陈大融. 润滑与密封. 2011(10)
[6]梯度表面能材料上液滴运动机理[J]. 王宏,廖强,朱恂. 化工学报. 2007(09)
本文编号：3219251
【文章来源】：计算力学学报. 2019,36(04)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１Ｄ２Ｑ９离散速度模型Ｆｉｇ．１ＤｉｓｃｒｅｔｅｖｅｌｏｃｉｔｙｍｏｄｅｌｆｏｒＤ２Ｑ９
Δｐ＝ｐｉｎ－ｐｏｕｔ＝σｒ（１３）首先，计算区域（２０１×２０１）中央设置一个半径为２０的液滴，四周设置为周期性边界条件。模拟时通过改变液滴半径ｒ获取进行，Δｐ为液滴内外压力差。由于界面处密度变化很大，导致气液界面附近压力波动很大，计算Δｐ时可忽略不计，如图２（ａ）所示。从图２（ｂ）可以看出，Δｐ与１／ｒ成线性关系，斜率为表面张力，约为０．２３１４４。为了验证上述改进模型的适应能力，图３给出Ｐ－Ｒ状态方程的共存曲线。其中，Ｔｒ和ρｒ分别为无量纲的饱和温度和密度。可以发现，模拟得到图２无重力场中静态液滴模拟结果（ｒ０＝２０）Ｆｉｇ．２Ｓｔａｔｉｃｄｒｏｐｌｅｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎａｇｒａｖｉｔｙ－ｆｒｅｅｆｉｅｌｄ（ｒ０＝２０）图３Ｐ－Ｒ状态方程共存曲线Ｆｉｇ．３ＣｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅｃｕｒｖｅｓｏｆＰ－Ｒｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｅ的气液密度与Ｍａｘｗｅｌｌ理论解吻合很好，且当Ｔｒ＝０．６２时，密度比可以达到５６１。因此，本文改进的Ｓｈａｎ－Ｃｈｅｎ模型在精度和稳定性上有很大改善。在Ｓｈａｎ－Ｃｈｅｎ伪势模型中，给定流体粒子间相互作用强度Ｇ，可通过调整Ｇａｄｓ获取不同接触角。模拟时，计算区域为２０１×１０１，上下边界采用标准反弹格式以实现无滑移边界条件，左右边界采用周期性边界条件。初始时刻，半径为３０的液滴置于ｘ＝１０１和ｙ＝３１处，当运行至时间步长
图２（ａ）所示。从图２（ｂ）可以看出，Δｐ与１／ｒ成线性关系，斜率为表面张力，约为０．２３１４４。为了验证上述改进模型的适应能力，图３给出Ｐ－Ｒ状态方程的共存曲线。其中，Ｔｒ和ρｒ分别为无量纲的饱和温度和密度。可以发现，模拟得到图２无重力场中静态液滴模拟结果（ｒ０＝２０）Ｆｉｇ．２Ｓｔａｔｉｃｄｒｏｐｌｅｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎａｇｒａｖｉｔｙ－ｆｒｅｅｆｉｅｌｄ（ｒ０＝２０）图３Ｐ－Ｒ状态方程共存曲线Ｆｉｇ．３ＣｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅｃｕｒｖｅｓｏｆＰ－Ｒｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｅ的气液密度与Ｍａｘｗｅｌｌ理论解吻合很好，且当Ｔｒ＝０．６２时，密度比可以达到５６１。因此，本文改进的Ｓｈａｎ－Ｃｈｅｎ模型在精度和稳定性上有很大改善。在Ｓｈａｎ－Ｃｈｅｎ伪势模型中，给定流体粒子间相互作用强度Ｇ，可通过调整Ｇａｄｓ获取不同接触角。模拟时，计算区域为２０１×１０１，上下边界采用标准反弹格式以实现无滑移边界条件，左右边界采用周期性边界条件。初始时刻，半径为３０的液滴置于ｘ＝１０１和ｙ＝３１处，当运行至时间步长ｔ＝２００００时达到平衡状态。图４给出接触角ＣＡ与流固间相互作用强度Ｇａｄｓ之间的关系，可以看出，液滴接触角与Ｇａｄｓ成线性关系，这与文献［２５］的结论一致。４结果与讨论４．１梯度润湿性表面上液滴定向迁移的动力学行为为了研究润湿梯度对液滴定向迁移过程的影响，采用上
【参考文献】：
期刊论文
[1]液滴碰撞液膜复合level set-VOF法的数值分析[J]. 李大树,仇性启,郑志伟,张铎. 高校化学工程学报. 2017(03)
[2]相分离过程的离散Boltzmann方法研究进展[J]. 许爱国,张广财,甘延标. 力学与实践. 2016(04)
[3]组合表面调控液滴特性强化蒸汽冷凝传热[J]. 彭本利,马学虎,兰忠,徐威,温荣福,白涛. 化工学报. 2015(10)
[4]非平衡与多相复杂系统模拟研究——Lattice Boltzmann动理学理论与应用[J]. 许爱国,张广财,李英骏,李华. 物理学进展. 2014(03)
[5]润湿性梯度表面上液滴运动的数值模拟[J]. 隋涛,蒋亮,汪家道,陈大融. 润滑与密封. 2011(10)
[6]梯度表面能材料上液滴运动机理[J]. 王宏,廖强,朱恂. 化工学报. 2007(09)
本文编号：3219251
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