固體材料表面帶移動接觸線兩相流問題的格子Boltzmann數(shù)值模擬

發(fā)布時間：2020-07-24 14:59

【摘要】：隨著流動尺度減小,比表面積迅速增加,要能夠正確捕捉流場信息,對網(wǎng)格量有較高要求,對此傳統(tǒng)CFD方法漸漸顯現(xiàn)不足,而格子Boltzmann方法對于模擬小尺度流動具有較大優(yōu)勢。He-Chen-Zhang模型是應用得較為廣泛的一種格子Boltzmann兩相流模型,它能夠很好地模擬固體材料表面小尺度的含移動接觸線的兩相流動。本文采用He-Chen-Zhang兩相流模型研究了:1)重力場中單個液滴沿細絲末端滑移的動力學過程;2)材料表面粗糙結(jié)構(gòu)的幾何特征對液膜去濕動力學過程的影響。具體工作如下:(1)基于He-Chen-Zhang兩相流模型,模擬了重力場中液滴沿細絲末端滑移的動力學問題,考慮了非理想壁面的接觸角遲滯效應。數(shù)值結(jié)果表明,接觸角遲滯效應與細絲邊緣的幾何尖點均對接觸線移動有阻礙作用,使得液滴滑移呈現(xiàn)出不同的滑移模態(tài)。對于浸潤細絲,液滴滑移呈現(xiàn)出四種不同的運動模態(tài);而對于非浸潤細絲,液滴僅存在兩種不同的滑移模態(tài)。浸潤細絲上,液滴滑移時傾向于粘附在細絲表面,即接觸線僅可能停留在細絲表面,又或者被釘軋在細絲末端的幾何尖點;液滴不能完全與細絲分離,只能整個懸掛在細絲末端,或發(fā)生斷裂后部分殘留在細絲上。非浸潤細絲上,液滴無法粘附在細絲表面并達到靜態(tài)平衡,即液滴會被釘扎在細絲邊緣,或者完全與細絲分離,而不會發(fā)生液滴的斷裂。本文詳細研究了Bo數(shù)、Oh數(shù)以及接觸角遲滯對液滴滑移動力學的影響,并給出了六種典型滑移模態(tài)在Bo-Oh平面和Bo-θ_R平面的分布。(2)基于軸對稱He-Chen-Zhang兩相流模型,研究了固體材料表面粗糙結(jié)構(gòu)的幾何特征對液膜去濕動力學過程的影響。為對比分析,以Pillar和Mushroom粗糙結(jié)構(gòu)為對象進行研究。數(shù)值結(jié)果表明,Wenzel狀態(tài)下的液膜在Pillar結(jié)構(gòu)上去濕時存在三種運動模態(tài)。依據(jù)Pillar結(jié)構(gòu)凹槽內(nèi)液相殘留情況,液膜去濕過程可分為無殘留模態(tài)、部分殘留模態(tài)以及完全滯留模態(tài)。對于Pillar結(jié)構(gòu),給出了三種典型去濕模態(tài)在h_3-h_2平面的相圖分布,并發(fā)現(xiàn)Pillar高度h_2越小,Pillar間距h_3越大,凹槽內(nèi)液體越不容易滯留。對于Mushroom結(jié)構(gòu),Wenzel狀態(tài)下的液膜去濕時僅存在完全滯留模態(tài),且Mushroom高度h_2變化不再影響液膜去濕動力學行為;Mushroom倒鉤結(jié)構(gòu)對接觸線移動存在阻礙作用,液膜在后退過程中會不斷變薄直至被幾何尖點“掐斷”而形成滯留,在此情況下,液膜去濕速度主要取決于Mushroom間距變化。一般地,Mushroom間距越大,液膜界面在后退過程中耗費在凹槽處的時間越長,表現(xiàn)為液膜去濕演化越發(fā)緩慢。本文進一步研究了半Wenzel狀態(tài)和半Cassie狀態(tài)下液膜在Mushroom結(jié)構(gòu)上去濕的動力學過程,發(fā)現(xiàn)半Cassie狀態(tài)下液膜去濕速度介于Cassie狀態(tài)和Wenzel狀態(tài)之間,而半Wenzel狀態(tài)下液膜去濕速度與Wenzel狀態(tài)幾乎一致。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：U661
【圖文】：

液滴,時間演化,周期性變化,接觸角