【摘要】：液滴在受平行板擠壓下出現(xiàn)的鋪展行為常見(jiàn)于微電子元器件的粘接、人體關(guān)節(jié)間的潤(rùn)滑等,其中存在三相接觸線運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜的微尺度流動(dòng)行為。針對(duì)這一問(wèn)題,本文采用粗�；姆肿觿�(dòng)力學(xué)方法,即多體耗散粒子動(dòng)力學(xué)(MDPD:Many-body Dissipative Particle Dy-namics)方法來(lái)模擬具體的物理過(guò)程,研究了液滴在平行板擠壓下的鋪展行為,為其實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)值指導(dǎo)。首先,針對(duì)三相移動(dòng)接觸線(角)的MDPD模擬,本文提出了 一種測(cè)量三維液滴接觸角(線)的YDF(Y-direction Distribution Function)算法,并驗(yàn)證了該算法的準(zhǔn)確性和魯棒性。通過(guò)改變液滴粒子和壁面粒子之間保守力來(lái)獲取不同的親疏水性壁面,得到了牛頓流體液滴靜態(tài)接觸角θstatic與參數(shù)Ast之間的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系,可構(gòu)建的壁面靜態(tài)接觸角范圍為40°θstatic140°。本文驗(yàn)證了牛頓流體液滴三相移動(dòng)接觸線模擬的準(zhǔn)確性,MDPD模擬結(jié)果與水動(dòng)力學(xué)理論吻合較好,從而證明了 MDPD方法在液滴模擬中的可行性,也為研究在平板擠壓下液滴的鋪展行為打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其次,本文模擬并分析了在平板擠壓下的牛頓流體液滴的鋪展行為,其具體表現(xiàn)為液滴接觸角與接觸線的變化情況。在準(zhǔn)靜態(tài)擠壓過(guò)程中,根據(jù)系統(tǒng)自由能的變化情況,整個(gè)擠壓過(guò)程可以被分成兩個(gè)階段:下板(靜止板)接觸線回縮階段和上板(擠壓板)及下板的接觸線對(duì)稱鋪展階段,并針對(duì)這兩個(gè)階段的擠壓鋪展行為進(jìn)行了理論分析,同時(shí)研究了上板擠壓速度對(duì)鋪展行為的影響。另外,本文研究了上板的親疏水性質(zhì)對(duì)牛頓流體液滴鋪展行為的影響規(guī)律,找到了各工況下的下平板接觸線不存在收縮現(xiàn)象的臨界擠壓速度,較為清晰地描述了平板擠壓牛頓流體液滴的整個(gè)過(guò)程。最后,通過(guò)設(shè)計(jì)兩種不同類型的MDPD粒子并改變粒子間的保守力受力情況構(gòu)建了一種會(huì)自發(fā)地形成有規(guī)律拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力流體模型。其屈服應(yīng)力特性及粘度變化與Herschel-Bulkley流體模型具有較好的吻合度。本文根據(jù)泊肅葉流動(dòng)的速度剖面圖可以將流場(chǎng)分成類“固體”屬性區(qū)域和類“流體”屬性區(qū)域兩大部分,證明了當(dāng)?shù)氐膽?yīng)力值與流體模型屈服應(yīng)力的大小關(guān)系決定了流域的屬性和劃分�；诖�,本文利用該流體構(gòu)建了一個(gè)屈服應(yīng)力流體液滴,進(jìn)一步研究了在平行板擠壓下該液滴的鋪展行為,得到了在相同濕潤(rùn)性壁面的條件下,屈服應(yīng)力流體液滴的下板接觸線最大收縮程度小于牛頓流體液滴的下板接觸線最大收縮程度的結(jié)論。
【圖文】：

在研究接觸線問(wèn)題時(shí)，通常會(huì)遇到接觸角遲滯的問(wèn)題。接觸角遲滯是指液滴移逡逑動(dòng)前其接觸角大小先于接觸線位置發(fā)生變化的現(xiàn)象，同時(shí)接觸線移動(dòng)前最大和最小接觸角逡逑的差值即為遲滯角，如圖１－４邋（ｃ）所示。很多學(xué)者也對(duì)這一有趣的現(xiàn)象展開(kāi)了研究。例如，逡逑Ｍａｋｋｏｎｅｎ邋［６（１】將熱力學(xué)理論加入到了接觸線移動(dòng)模型當(dāng)中，除了之前已經(jīng)認(rèn)可的帶有耗散逡逑性質(zhì)的摩擦力外，另外在光滑壁面上找到并量化了一個(gè)類似于熱力學(xué)起源中固體滑動(dòng)摩擦逡逑的力心１。Ｃｈｅｎ等人１６２】用耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法模擬研究了存在不同親疏水性微柱的壁面如逡逑何去影響液滴接觸線移動(dòng)的問(wèn)題，得出了潤(rùn)濕性問(wèn)題是一個(gè)基于接觸線的問(wèn)題，而不是基逡逑于接觸面積問(wèn)題的結(jié)論，符合濕潤(rùn)性在Ｗｅｎｚｅｌ邋（如圖１－４邋（ａ）所示，液體填滿粗糙表面的逡逑間隙）和Ｃａｓｓｉｅ邋（如圖１－４邋（ｂ）所示，液體并不能充滿粗糙表面的凹槽）狀態(tài)［６３】之間相互轉(zhuǎn)逡逑變的觀點(diǎn)。但是，，Ｃｈｅｎｇ等人［６４］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了潤(rùn)濕性問(wèn)題是一個(gè)基于接觸線的問(wèn)題，這逡逑５逡逑

邐邋Ｄｉｓｔａｎｃｅ邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｃｏｎｔａｃｔ邋ｌｉｎｅ，邋ｓ逡逑圖１－３動(dòng)態(tài)接觸線附近的角度、長(zhǎng)度尺度情況。左圖中的大圖表示宏觀流動(dòng)區(qū)域，小圖代表了微逡逑觀流動(dòng)區(qū)域，兩個(gè)尺度的過(guò)渡階段用漸近線連接；右圖表示隨著遠(yuǎn)離接觸線位置處接觸角的變化情逡逑況１５６１。逡逑例如，Ｄ邋ｉ邋ｎｇ等人１５７１運(yùn)用擴(kuò)散界面的方法模擬研究了兩相流接觸線運(yùn)動(dòng)中的潤(rùn)濕條件，逡逑證明了目前使用表面能的策略并不能使界面的斜率等于接觸角，故提出了一種能產(chǎn)生規(guī)定逡逑接觸角的幾何公式。另外，Ｋｕｓｕｍａａｔｍａｊａ等人１＾８１調(diào)和了在前文中提到的擴(kuò)散界面模型中與逡逑移動(dòng)接觸線相關(guān)的滑動(dòng)長(zhǎng)度的兩個(gè)比例律，得到了擴(kuò)散界面和尖銳界面模型內(nèi)滑移長(zhǎng)度的逡逑計(jì)算方式。還證明，在模型的自由能函數(shù)中修改微觀界面項(xiàng)只會(huì)影響到擴(kuò)散界面區(qū)域內(nèi)的逡逑滑動(dòng)長(zhǎng)度值，而滑動(dòng)長(zhǎng)度一致尖銳界面區(qū)域僅僅依賴于宏觀變量。Ｌｕｏ等人【５９】嘗試設(shè)立合逡逑理有效的邊界條件
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V465;O35

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本文編號(hào)：2660835