纳米尺度下液滴蒸发的分子动力学研究
发布时间：2020-12-16 21:27
液滴蒸发是自然界和工业中常见的一种现象,比如“咖啡环效应”和乙醇-水的混合蒸发。这些常见的现象都与液滴与固壁界面之间的相互作用有关,而蒸发又与润湿性、表面张力、接触线移动、相变转化、液滴内部的流动和液气界面上的蒸发动力学相互耦合。因此,液滴蒸发是一个复杂的、多领域相互交叉的问题。本文采用分子动力学（Molecular dynamics,简称MD）的方法研究纳米液滴的蒸发现象,主要工作和成果如下:（1）研究了各向异性界面对纳米液滴蒸发的影响。为了方便起见,模拟中采用了纳米液柱,液气粒子之间的相互作用采用Lennard-Jones势函数。界面的各向异性是通过两种等宽度但不同化学类型的交替条纹实现的,不同的条纹与液滴之间的接触角是不同的。本文的模拟是通过加热固壁使得液滴蒸发,而不是在等温状态下的液滴蒸发。研究表明,整个蒸发过程以非均匀蒸发效应为主,在蒸发初期体积膨胀和局部蒸发效应起着重要的作用。在整个蒸发过程中液滴的质量不是均匀减少的,而是以一种指数衰减的方式减少。从纳米尺度的观点来看,接触线的缓慢移动在钉扎过程中是确实存在的,本文的数值模拟也证实了这一现象。因此,纳米尺度下的钉扎现象与宏观...
【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】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?Ｃａｓｓｉｅ＾Ｂａｘｔｅｒ润湿模型（左边两图）和Ｗｅｎｚｅｌ润湿模型（右边两图）（Ｃｈｅｎ?ｅｉ?ａ／．，??２０１２；?Ｌｉ?ｅｔ?ａ／．，?２０１４）〇??Ｙｏｕｎｇ方程对于宏观液滴形状的描述己经足够精确
１．３液滴蒸发模式???ｅＵＬ，２０１０；?Ｗｅｉｊｓｄａ？．，２０１１）。线张力的研宄对认识纳米液滴润湿蒸发、光刻技术和??晶体成核等具有重要的作用（Ｐｅｔｈｉｃａ，１９７７；?Ｐｅｔｅｒｓ?ｅｉａＺ．，２０００；?Ｌｏｐｅｓ?＆：?Ｊａｅｇｅｒ，２００１；??Ａｍｉｒｆａｚｌｉ?＆：?Ｎｅｕｍａｎｎ，?２００４）〇??丨?；＾ＬＶ??！??ｉ?．；?．??图１．３线张力模型示意图（Ｌｖ?ｅｆ?ａ／．，２００８）。??１．３?液滴蒸发模式??液滴蒸发可以分为悬浮液滴蒸发和附着在固壁上的液滴蒸发。在本文中如果不特??别说明，都是指附着在固壁上的液滴蒸发。液滴在等温蒸发亦或是受热蒸发的过程??中，人眼最直接观察到的是液滴形貌的复杂变化，比如高度、体积、接触半径和接触??角等。而在人眼无法感知的其他地方也发生着复杂的变化，比如液滴内部流体的复杂??流动和液气界面上无时无刻不在进行着的传质传热现象，其中接触角和接触半径的??变化又对这些看不见的现象起着至关重要的作用。Ｐｉｃｋｎｅｔｔ?Ｂｅｘｏｎ?（１９７７）根据接触??角和接触半径的变化规律，提出了两种主要蒸发模式：恒定接触半径模式（Ｃｏｎｓｔａｎｔ??Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｒａｄｉｕｓ?ｍｏｄｅ，简称ＣＣＲ?ｍｏｄｅ）和恒定接触角模式（Ｃｏｎｓｔａｎｔ?Ｃｏｎｔａｃｔ?Ａｎｇｌｅ??ｍｏｄｅ，简称ＣＣＡ?ｍｏｄｅ）。恒定接触半径模式指的是在蒸发过程中接触线钉扎在固体??界面上，接触半径不变而接触角不断变校恒定接触角模式指的是在蒸发过程中接触??线不断向液滴中心收缩，接触角不变而接触半径不断变校在相关的文献中（Ｋｈｅｄｉｒ??ｅｉａＺ．，?２０１１），恒定接触半径模式又
第一章绪论??（Ｋｈｅｄｉｒ?ｅｆ?ａ／”?２０１１）。??ＳｃＵｅｔｗｉＫＷａｉａ?ＣＨｏｐｌｅｉ?Ｃｏｎｓｔａｎｔ?Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｌｍｅ?ｃ〇ｎ４ｔａｎｔＣｃ？ｉｔａｃｔ，＼３ｉｇｌｅ?Ｍｉｘｅｄ?Ｍｏｄｅ?（ＭＭ）??ｏｉｌ?ｔｌＬｅ?ＨｙｄｒｏｊｆＪｉｏＩｎｃ?＾ＣＣＬ）?Ｍｃｘｉｅ?（ＣＣ?＼）?Ｍｏｄ＾??Ｓｏｌｉｄ?Ｓｕｂｓｔｒａｋ：??图１．４液滴蒸发过程中的三种蒸发模式示意图（Ｋｈｅｄｉｒ?２０１１）。??Ｍａｘｗｅｌｌ?（１８９０）早在１００年前就对一个悬浮液滴蒸发进行了研究，并提出了第一??个悬浮液滴蒸发的理论模型。Ｂｉｒｄｉ?ｅｉ?ｄ．?（１９８９）在液气界面通过引入Ｆｉｃｋ法则作为其??边界条件，研宄了固壁上液滴的蒸发速率。随后Ｒｏｗａｎ?（１９９５）通过实验研宄了??接触半径在０．２９３？０．５８５ｍｍ的亲水性液滴在聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）上蒸发时??液滴质量和形貌的变化。他们的实验结果显示液滴蒸发过程中发生了钉扎（Ｐｉｎｎｉｎｇ）??现象，即液滴的蒸发模式为ＣＣＲ模式。随后他们将Ｋｃｋ法则应用于ＣＣＲ模式，通过??研宄扩散方程推导了液滴蒸发过程中接触角随时间的变化规律。质量形式的扩散方程??如下所示：??—＝ｐ—?＝?－Ｄ?［?ＶｃｄＳ?（１．７）??ｄｔ?Ｈ?ｄｔ?Ｊ??其中ｍ、ｐ和Ｋ分别是液滴的质量、密度和体积，（是蒸发时间，〇是气体扩散系数，??ｃ是气体浓度，是液滴表面积。当不考虑液气界面不同方位角质量蒸发的不均匀性??时，且认为液滴边界处的气体浓度（ｃ〇）和无穷远处的气体浓度（ｃ＾）近似恒定，则??径向的气体浓度梯度在液滴边界处可以表示为：??—＝ｃ〇°?￣?ｃ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Nonlinear effects of line tension in adhesion of small droplets[J]. 吕存景,殷雅俊,郑泉水. Applied Mathematics and Mechanics(English Edition). 2008(10)
本文编号：2920803
【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】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?Ｃａｓｓｉｅ＾Ｂａｘｔｅｒ润湿模型（左边两图）和Ｗｅｎｚｅｌ润湿模型（右边两图）（Ｃｈｅｎ?ｅｉ?ａ／．，??２０１２；?Ｌｉ?ｅｔ?ａ／．，?２０１４）〇??Ｙｏｕｎｇ方程对于宏观液滴形状的描述己经足够精确
１．３液滴蒸发模式???ｅＵＬ，２０１０；?Ｗｅｉｊｓｄａ？．，２０１１）。线张力的研宄对认识纳米液滴润湿蒸发、光刻技术和??晶体成核等具有重要的作用（Ｐｅｔｈｉｃａ，１９７７；?Ｐｅｔｅｒｓ?ｅｉａＺ．，２０００；?Ｌｏｐｅｓ?＆：?Ｊａｅｇｅｒ，２００１；??Ａｍｉｒｆａｚｌｉ?＆：?Ｎｅｕｍａｎｎ，?２００４）〇??丨?；＾ＬＶ??！??ｉ?．；?．??图１．３线张力模型示意图（Ｌｖ?ｅｆ?ａ／．，２００８）。??１．３?液滴蒸发模式??液滴蒸发可以分为悬浮液滴蒸发和附着在固壁上的液滴蒸发。在本文中如果不特??别说明，都是指附着在固壁上的液滴蒸发。液滴在等温蒸发亦或是受热蒸发的过程??中，人眼最直接观察到的是液滴形貌的复杂变化，比如高度、体积、接触半径和接触??角等。而在人眼无法感知的其他地方也发生着复杂的变化，比如液滴内部流体的复杂??流动和液气界面上无时无刻不在进行着的传质传热现象，其中接触角和接触半径的??变化又对这些看不见的现象起着至关重要的作用。Ｐｉｃｋｎｅｔｔ?Ｂｅｘｏｎ?（１９７７）根据接触??角和接触半径的变化规律，提出了两种主要蒸发模式：恒定接触半径模式（Ｃｏｎｓｔａｎｔ??Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｒａｄｉｕｓ?ｍｏｄｅ，简称ＣＣＲ?ｍｏｄｅ）和恒定接触角模式（Ｃｏｎｓｔａｎｔ?Ｃｏｎｔａｃｔ?Ａｎｇｌｅ??ｍｏｄｅ，简称ＣＣＡ?ｍｏｄｅ）。恒定接触半径模式指的是在蒸发过程中接触线钉扎在固体??界面上，接触半径不变而接触角不断变校恒定接触角模式指的是在蒸发过程中接触??线不断向液滴中心收缩，接触角不变而接触半径不断变校在相关的文献中（Ｋｈｅｄｉｒ??ｅｉａＺ．，?２０１１），恒定接触半径模式又
第一章绪论??（Ｋｈｅｄｉｒ?ｅｆ?ａ／”?２０１１）。??ＳｃＵｅｔｗｉＫＷａｉａ?ＣＨｏｐｌｅｉ?Ｃｏｎｓｔａｎｔ?Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｌｍｅ?ｃ〇ｎ４ｔａｎｔＣｃ？ｉｔａｃｔ，＼３ｉｇｌｅ?Ｍｉｘｅｄ?Ｍｏｄｅ?（ＭＭ）??ｏｉｌ?ｔｌＬｅ?ＨｙｄｒｏｊｆＪｉｏＩｎｃ?＾ＣＣＬ）?Ｍｃｘｉｅ?（ＣＣ?＼）?Ｍｏｄ＾??Ｓｏｌｉｄ?Ｓｕｂｓｔｒａｋ：??图１．４液滴蒸发过程中的三种蒸发模式示意图（Ｋｈｅｄｉｒ?２０１１）。??Ｍａｘｗｅｌｌ?（１８９０）早在１００年前就对一个悬浮液滴蒸发进行了研究，并提出了第一??个悬浮液滴蒸发的理论模型。Ｂｉｒｄｉ?ｅｉ?ｄ．?（１９８９）在液气界面通过引入Ｆｉｃｋ法则作为其??边界条件，研宄了固壁上液滴的蒸发速率。随后Ｒｏｗａｎ?（１９９５）通过实验研宄了??接触半径在０．２９３？０．５８５ｍｍ的亲水性液滴在聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）上蒸发时??液滴质量和形貌的变化。他们的实验结果显示液滴蒸发过程中发生了钉扎（Ｐｉｎｎｉｎｇ）??现象，即液滴的蒸发模式为ＣＣＲ模式。随后他们将Ｋｃｋ法则应用于ＣＣＲ模式，通过??研宄扩散方程推导了液滴蒸发过程中接触角随时间的变化规律。质量形式的扩散方程??如下所示：??—＝ｐ—?＝?－Ｄ?［?ＶｃｄＳ?（１．７）??ｄｔ?Ｈ?ｄｔ?Ｊ??其中ｍ、ｐ和Ｋ分别是液滴的质量、密度和体积，（是蒸发时间，〇是气体扩散系数，??ｃ是气体浓度，是液滴表面积。当不考虑液气界面不同方位角质量蒸发的不均匀性??时，且认为液滴边界处的气体浓度（ｃ〇）和无穷远处的气体浓度（ｃ＾）近似恒定，则??径向的气体浓度梯度在液滴边界处可以表示为：??—＝ｃ〇°?￣?ｃ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Nonlinear effects of line tension in adhesion of small droplets[J]. 吕存景,殷雅俊,郑泉水. Applied Mathematics and Mechanics(English Edition). 2008(10)
本文编号：2920803
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