粘弹性液滴撞击疏水壁面的数值模拟和动力学研究

论文摘要

粘弹性流体（Viscoelastic fluids）是一种典型的非牛顿流体,在日常生活和工业生产中广泛存在,比如血液、牛奶和高分子溶液等。带移动接触线的粘弹性流体的多相流动研究,在工农业有广泛的应用,比如农药喷洒、喷墨打印和法医分析等。本文采用数值模拟与实验相结合的手段研究了粘弹性流体（高分子溶液）液滴撞击疏水壁面的物理问题。首先,在数值方面,发展了模拟带移动接触线的粘弹性流体多相流动的数值方法,并验证其准确性和可靠性。其次,采用数值模拟的方法研究了粘弹性液滴撞击疏水壁面的动力学过程,揭示了粘弹性抑制液滴在疏水壁面上反弹的机理。最后,在实验方面,通过开展一系列实验发现了高分子溶液撞击超疏水壁面的不同模态和特殊结构;研究了高分子长链与壁面的相互作用对接触线动力学行为的影响。主要工作及研究成果如下:（1）建立了模拟带有移动接触线的粘弹性流体多相流动的数值方法。其中,采用Oldroyd-B本构模型模拟弹性应力,与扩散界面方法相结合捕捉界面,采用几何模型模拟接触线运动。为了验证Oldroyd-B本构模型的正确性,采用平面管道流动算例与理论解、方腔驱动流算例（Martins et al.,2015;Yapici et al.,2009;Su et al.,2013）和液滴在剪切流中的变形与数值标准解（Pillapakkam&Singh,2001）进行定量对比;针对本文研究的粘弹性液滴撞击壁面问题,将轴对称的数值模拟结果与实验结果进行定量对比。以上数值结果的对比均具有较好的一致性。并且进行了网格收敛性验证,数值方法具有较好的网格收敛性。（2）数值研究了粘弹性流体液滴撞击疏水壁面的铺展过程。研究了在不同韦伯数下,粘弹性（以黛博拉数De表征）对液滴铺展的非线性影响。在低韦伯数（We）下,液滴的铺展过程主要由惯性力和表面张力主导,粘弹性（De）不影响液滴的铺展。粘弹性流体液滴和牛顿流体液滴一致,最大铺展时间Tm与最大铺展半径Rm均满足同样的尺度率关系Rm～Tm3/2。最后,基于数值结果,研究了接触角大小、溶剂粘性比等参数对粘弹性液滴铺展的影响。（3）数值研究了粘弹性液滴在疏水壁面上的回缩过程,并分析了粘弹性抑制液滴反弹的机理。在较低的We（We<10）和Re（Re<500）数范围内,粘弹性液滴撞击疏水壁面后存在三种模态:弹起,振荡弹起和振荡。在De-We相图中给出弹起与振荡的分界线的尺度率关系:De～（?）We。通过基于弹性力和表面张力的松弛时间尺度对这一分界线进行了解释。通过分析液滴内部的弹性力分布和方向,以及弹性力与表面张力、惯性力等力的对比,揭示了粘弹性导致反弹抑制现象的机理。最后,对粘弹性液滴在壁面上的振荡周期进行了研究,并通过应力松弛理论,解释了粘弹性流体和牛顿流体有相同的振荡周期。（4）开展了高分子稀溶液液滴撞击超疏水壁面的实验。高分子溶液是一类典型的粘弹性流体。发现液滴回缩过程中出现了 Drop-filament和Beads On A String（BOAS）的模态,并通过表面张力和弹性力等力的平衡对细丝的形成进行分析。高分子长链的拉伸对接触线的动力学行为有显著影响,由于高分子链的阻碍作用,接触线形成Zigzag的褶皱结构。通过建模、理论分析高分子链对接触线的动力学行为的影响。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景

1.1.1 流变学

1.1.2 非牛顿流体

1.1.3 粘弹性流体

1.1.4 高分子溶液液滴撞击

1.2 研究现状

1.2.1 粘弹性流体本构方程的研究进展

1.2.2 粘弹性流体数值模拟方法的研究进展

1.2.3 粘弹性流体液滴撞击壁面的研究进展

1.3 本文工作

第二章数值计算方法发展及验证

2.1 数值计算方法

2.1.1 Oldroyd-B本构方程

2.1.2 扩散界面模型

2.1.3 流动控制方程

2.1.4 三相粘弹性流体模型

2.1.5 几何接触线模型

2.1.6 方程的离散化和程序推进

2.1.7 计算构型和边界条件

2.2 数值方法验证

2.2.1 单相流动

2.2.2 液滴在粘弹性剪切流中的变形

2.2.3 气泡在粘弹性流体中上升

2.2.4 粘弹性流体液滴正面碰撞

2.2.5 轴对称模型与实验对比验证-液滴撞击壁面

2.3 本章小结

第三章粘弹性液滴撞击动力学研究

3.1 物理模型

3.2 粘弹性对液滴铺展的影响

3.3 低We数下粘弹性液滴撞击后的铺展特性

3.3.1 流动特性

3.3.2 最大铺展时间与最大铺展半径

3.3.3 弹性力变化及分布

3.4 溶剂粘度比壁面润湿特性对液滴铺展的影响

3.4.1 溶剂粘度比对液滴铺展的影响

3.4.2 壁面润湿特性对液滴撞击的影响

3.5 本章小结

第四章粘弹性抑制液滴弹起机理的数值研究

4.1 粘弹性液滴的回缩过程

4.1.1 变形和表观接触角的影响

4.1.2 流动特性

4.1.3 回缩相图

4.1.4 模式转换的量纲分析

4.2 反弹抑制机理

4.2.1 弹性力分布及涡量云图

4.2.2 力的对比

4.2.3 能量对比

4.2.4 粘弹性液滴振荡周期分析

4.3 接触角迟滞对液滴回缩模态的影响

4.4 本章小结

第五章高分子链对液滴回缩模态形成以及接触线运动影响的实验研究

5.1 实验方法

5.1.1 实验装置

5.1.2 实验材料处理

5.1.3 实验平台设计

5.2 高分子稀溶液液滴撞击的不同模态

5.3 低速撞击高分子链对接触线移动的影响

5.3.1 撞击动力学过程

5.3.2 回缩速度

5.4 粗糙度对高分子链拉伸的影响

5.5 高分子分子量和浓度对液滴撞击的影响

5.6 高速撞击时高分子链对溅射和接触线移动的影响

5.7 本章小结

第六章总结和展望

6.1 工作总结

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 韩丁丁

导师: 丁航,刘难生

关键词: 粘弹性流体,模型,移动接触线,反弹抑制现象,高分子溶液

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O373

总页数: 103

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