液滴在疏水纤维表面上的合并弹跳数值研究

论文摘要

在某些特定的条件下,液滴在超疏水表面上会合并,然后由于表面能的减少、动能的增加而从超疏水表面上跳离。对该现象的研究,对于提高冷凝传热效率、表面自清洁、抗结冰表面、水汽收集等方面会产生积极的影响。对于液滴的合并自发弹跳现象的研究,目前已经取得了大量的研究结果,包括实验结果、理论分析以及数值模拟等几方面。现有研究大都是针对平坦超疏水表面进行,而对液滴在曲面上合并的研究相对还比较少见。本文针对一种常见的曲面——纤维表面,对其上不同条件下液滴合并弹跳现象进行数值模拟研究。本文选用基于相场的混合格子Boltzmann-有限差分方法。界面动力学演化的Cahn-Hilliard方程我们用有限差分法处理,对流体动力学方程我们用格子Boltzmann方法处理,两组方程通过界面演化方程中的对流项和流体动量方程中的表面张力项相互耦合。对于曲面边界上的润湿,本文使用最近提出的一种新型特征插值方法。我们首先在给定欧森数Oh=0.0126的情况下,探究液滴与纤维的半径比、纤维表面的润湿性条件（即接触角）等对液滴合并弹跳产生的影响。然后又研究了欧森数的变化对液滴弹跳的影响。针对相场模型的模拟,我们探究了卡恩数Cn对模拟结果的影响。研究发现,在欧森数较小时,受纤维润湿性和液滴—纤维半径比变化的影响,可能会发生液滴正常弹跳（液滴平均速度为正）、液滴以负速度弹跳、液滴包裹纤维后弹跳及液滴附着在纤维上振动等不同结果;只有当液滴和纤维之间的接触角和半径比超过某一临界值时,合并后的液滴才会在纤维上发生弹跳现象。并且,临界半径比会随着纤维疏水性的增强而减小。对于给定的接触角和半径比,存在一个弹跳速度达到最大值时的欧森数。这些发现一部分确认（数值重现）了之前的报道,还有部分属首次发现。我们还从各种能量演化的角度分析了不同条件下纤维上液滴合并弹跳的过程。本论文的研究将进一步加深我们对液滴合并弹跳问题的认识,为相关应用提供有意义的参考。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 肖旭斌

导师: 黄军杰

关键词: 相场,格子方法,液滴弹跳,纤维

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 重庆大学

分类号: O359.1

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.002538

总页数: 62

文件大小: 1982k

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