【摘要】：流體液滴撞擊壁面和液滴融合在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用廣泛,例如噴墨打印、農(nóng)藥噴灑、表面噴涂和噴霧冷卻等。液滴的撞擊及其融合過程受到許多因素的作用,如撞擊速度、液滴物性以及壁面濕潤性等等。其中,液滴撞擊和融合過程會由于非牛頓流體和牛頓流體的本構(gòu)關(guān)系不同而存在顯著差異。近十幾年,非牛頓流體被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中,并在控制液滴沉積的領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用,例如在印刷電路板、芯片、傳感器等生產(chǎn)中,為了獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品,需要精細控制液滴在壁面上的行為并避免液滴發(fā)生濺射和反彈,為此,人們常利用流體的非牛頓特性來實現(xiàn)對液滴沉積的控制。因此,研究非牛頓液滴的撞擊以及融合過程對于解決工程問題有深刻的指導(dǎo)意義。然而,目前關(guān)于非牛頓液滴撞擊和融合的實驗研究存在一定局限性,并且在不同的壁面濕潤性、撞擊速度以及表面張力等條件下,對非牛頓液滴撞擊壁面以及融合過程的數(shù)值研究仍有大量不足。因此,需要進一步探究不同條件下非牛頓流體液滴撞擊和融合等物理過程。格子Boltzmann方法是從介觀粒子動力學(xué)發(fā)展而來用于描述流體運動的數(shù)值方法之一。基于介觀描述的格子Boltzmann方法已被廣泛應(yīng)用到描述兩相流以及非牛頓流體流動的模擬中,并且與其他方法相比,格子Boltzmann方法具有易于編程、天然并行性的特點。因此,本文采用格子Boltzmann方法數(shù)值模擬非牛頓流體液滴撞擊以及融合等過程。本論文基于相場法的兩相流理論描述,發(fā)展了格子Boltzmann方法與有限差分的混合數(shù)值方法,實現(xiàn)了對非牛頓流體、牛頓流體的兩相流模擬。不可壓縮流體流動采用不可壓縮多松弛格子Boltzmann方法模擬,界面的動態(tài)變形則用對流Cahn-Hilliard方程描述,并采用有限差分法求解。本文基于上述耦合模型數(shù)值模擬了非牛頓流體液滴在壁面的撞擊過程以及兩個同種液滴在壁面上初期融合過程。論文的主要工作以及結(jié)論如下:(1)簡要介紹了格子Boltzmann方法,推導(dǎo)了格子Boltzmann-BGK模型(LBGK模型)恢復(fù)至宏觀方程的過程,并建立了不可壓縮多松弛格子Boltzmann模型。(2)發(fā)展了求解非牛頓流體的不可壓縮格子Boltzmann模型,并基于相場方程發(fā)展了關(guān)于牛頓流體、非牛頓流體的兩相流格子Boltzmann模型,計算了非牛頓流體的方腔流流動以及靜置非牛頓液滴Laplace定律。(3)在固壁邊界處引進考慮靜態(tài)接觸角影響的濕潤邊界條件,實現(xiàn)了格子Boltzmann耦合模型對不同濕潤性壁面上的液滴接觸問題的描述,采用該模型模擬了液滴在壁面上的靜態(tài)接觸過程和動態(tài)接觸過程。(4)在液滴撞擊過程中,冪律指數(shù)n越小越有利于液滴沉積,冪律指數(shù)n越大液滴越容易發(fā)生濺射。冪律流體液滴達到穩(wěn)定狀態(tài)后的鋪展長度只與壁面濕潤性有關(guān)。此外,隨著韋伯?dāng)?shù)We的增大,假塑性液滴撞擊壁面后能更快地達到穩(wěn)定,而膨脹性液滴則更容易發(fā)生濺射。當(dāng)靜態(tài)接觸角較大,即壁面高度疏水時,膨脹性液滴撞擊壁面后在回縮過程中會發(fā)生完全反彈。(5)對液滴初期融合過程的研究發(fā)現(xiàn),膨脹性流體液滴融合的速度最快,其次是牛頓流體,假塑性流體融合最慢。此外,當(dāng)靜態(tài)接觸角θ~(eq)等于90~°時,冪律液滴融合初期時的液橋半徑與時間的平方根呈正比,這一規(guī)律與牛頓流體一致。
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碩士學(xué)位論文 面濕潤性較強或者液滴撞擊速度較慢時，在撞擊壁面后液滴始終，并在達到穩(wěn)定后鋪展長度保持不變的狀態(tài)；快速濺射（Prompt s邊緣液體在粗糙表面的影響下發(fā)生破碎，以小液滴的形式向四周在撞擊速度較大的情況；冠狀濺射（Corona splash）是形成冠狀的水降膜流動以及沖擊力的大小有關(guān)；收縮濺射（Receding breakup）溫度的影響導(dǎo)致表面張力減小以致液滴在回縮過程中發(fā)生破裂，，邊緣液體會沸騰導(dǎo)致濺射；部分回彈（Partial rebound）是在回流體脫離液滴，而另一部分流體附著在壁面上，這種現(xiàn)象跟壁面全反彈（Complete rebound）是液滴以較大速度撞擊到超疏水性表中液滴完全脫離壁面的現(xiàn)象。

圖 1.2 兩液滴在壁面上的融合[26]Figure 1.2 The coalescence of two drops on solid surface[26]年來，學(xué)者們對兩個同種液滴在壁面上的融合早期的液橋1998 年 Eggers 等[27]從理論上分析了粘性機制下(Re<1；慣值，記為液滴 Re，簡記 Re)兩液滴的融合，得到融合的液系。2004年Wu等[28]實驗研究了兩液滴在表面張力作用下初機制(Re>1)下，液橋長度 r 與時間 t 的平方根成正比即滿 文獻中提出的規(guī)律。2005 年 Aarts 等[29]實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)液滴的度足夠大時，在液滴融合的初始階段，液橋長度的增長速在 1.5±0.5 時，慣性效應(yīng)做主導(dǎo)，并得到液橋長度與時間 年 Ristenpart 等[30]通過實驗和理論研究了兩個液滴在強浸液滴融合由表面張力驅(qū)動，研究表明在融合初期，液橋長成正比。并且，液滴的半徑和液滴初始接觸高度會顯著地融合速率，，而對于兩個自由液滴間的融合，其融合速率基
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O373

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 閔琪;段遠源;王曉東;吳莘馨;;非牛頓流體液滴鋪展過程的格子Boltzmann模擬[J];熱科學(xué)與技術(shù);2013年04期

2 宋云超;寧智;孫春華;呂明;閻凱;付娟;;液滴撞擊壁面鋪展運動的數(shù)值模擬[J];燃燒科學(xué)與技術(shù);2013年06期

本文編號：2706917