润湿性梯度驱动液滴运动的格子Boltzmann模拟

运用考虑了固体与液体间分子作用力的格子Boltzmann方法,数值研究了由于固液界面上表面张力梯度引起的Marangoni效应驱动的液滴运动.当表面张力梯度较小时,计算结果和前人的理论预测符合较好.而表面张力梯度较大时,由于液滴不变形和准平衡态等假设不再满足,理论预测的液滴运动速度高于数值模拟的结果.计算结果显示,在向亲水端运动过程中液滴内部出现旋涡结构,当润湿性梯度较大时,其前进速度和接触角随时间变化出现振荡.     

基于格子Boltzmann方法的液滴沿固壁铺展动态过程模拟

矿井喷雾降尘是利用水雾使粉尘润湿沉降的过程,考虑到固体与液体间分子作用力,本文采用格子Boltzmann方法对液滴沿固壁铺展的动力学行为进行了数值模拟,结果发现铺展直径及动态接触角随时间呈指数规律,确定了液滴表面张力与铺展最大直径间的关系,固壁润湿性对铺展最大速度值影响较大,这些与物理试验及文献结果符合良好. 进一步考察了疏水性强的固壁,发现当液滴表面张力足够小时,铺展接触角可以在90°以下,与理论公式符合. 研究发现铺展过程中伴随着振荡,且铺展到最大时液膜有回缩趋势. 关键词： 液滴 格子Boltzmann方法 铺展 数值模拟     

格子Boltzmann方法模拟双液滴撞击液膜的流动过程

采用单相自由面格子Boltzmann方法中流场计算,自由面条件和表面张力处理方法,研究双液滴撞击液膜的流动过程,实现对垂直间隔的两液滴相继撞击液膜流动过程的模拟.数值结果表明,液滴相继冲击液膜时,液滴间上下距离对液膜状态有很大的影响,液滴间距不同,液膜形状会出现很大差异.数值结果与实验结论定性一致.     

微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究

将高精度的二氧化碳状态方程与气液两相流格子Boltzmann方法中的伪势模型耦合,研究微通道内二氧化碳气液两相流动的界面动力学行为,包括二氧化碳气泡和液滴的分裂、合并、变形,以及气液两相二氧化碳在演化过程中的质量交换.研究发现：当分裂和合并行为达到平衡,并且两相之间不发生质量交换时流动达到稳态.稳态时的流型主要依赖于表面张力,惯性力,管道的润湿性,以及初始体积分数.当表面张力较大时,微通道内形成的二氧化碳气泡或液滴会收缩成圆形,此时二氧化碳气泡或液滴会堵塞微通道,形成段塞流;随着表面张力的减小,形成的气泡或液滴不容易收缩,在微通道内更容易发生变形,出现泡状流或环状流.当壁面润湿性为强疏水性时,二氧化碳在微通道中的流动为环状流,其它润湿性下,流型为段塞流.体积分数较小时,二氧化碳两相流动的流型为段塞流,体积分数较大时,流型为环状流.     

双液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的LBM模拟

基于格子Boltzmann方法，对液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的过程进行模拟。研究润湿梯度、斜面顶端润湿性、液滴尺寸和Bond数对液滴融合弹跳过程的影响。计算结果表明：在较疏水的润湿梯度斜面上，两个液滴在非平衡张力作用下融合后能够发生弹跳行为；液滴融合速度和跳跃高度最大值均随着润湿梯度的增大而增加；随着斜面顶端润湿性的增大，液滴跳跃高度最大值减小；存在一个最佳液滴尺寸，使得跳跃高度最大值最优。Bond数越大，液滴跳跃高度最大值越小。     

润湿梯度作用下液滴在倾斜表面向上运动的格子Boltzmann模拟

采用基于Shan-Chen伪势模型的格子Boltzmann方法,对液滴在存在润湿梯度的倾斜表面上克服重力、自下而上运动的过程进行模拟。探究润湿梯度、液滴尺寸、Bond数以及表面倾斜角度对液滴运动的影响。计算结果表明：液滴在运动过程中,内部会出现沿斜面向上的速度矢量,润湿梯度越大,液滴运动速度越快,润湿长度也越长,且动态接触角减小速率越快。液滴尺寸和Bond数对液滴运动的影响较小,但存在临界Bond数,超过该临界Bond数时,液滴将沿梯度润湿表面向下运动。表面倾角对液滴运动有显著影响,倾角增大,液滴运动速度和润湿长度都明显减小。     

一种新的模拟渗流运动的数值方法

根据格子Boltzmann方法及相关理论，建立了一个新的模拟渗流运动的数值模型，所得模型没有在边界上采取相应平均措施，同时还避免了一些非物理副产品的出现-实例计算数值结果与精确解符合较好，证明模型可靠- 关键词： 渗流 格子Boltzmann方法 数值模型     

Lattice Boltzmann方法模拟多孔介质Klinkenberg效应

格子Boltzmann数值模拟方法是研究复杂的多孔介质结构特别是Klinkenberg效应的有效方法之一，对处理复杂边值问题尤其有效，用格子Boltzmann方法研究了气流穿越多孔介质问题，并将数值计算结果与实验结果进行了比较，结果表明格子Boltzmann方法是数值模拟气流穿越多孔介质问题的有效方法之一。     

平衡接触角对受热液滴在水平壁面上铺展特性的影响

壁面温度是影响壁面润湿性的重要外部条件. 为解决液滴铺展中三相接触线处应力集中问题, 已有研究多采用预置液膜假设, 但无法探究壁面温度对润湿性的影响. 本文针对受热液滴在固体壁面上的铺展过程, 基于润滑理论建立了演化模型, 通过数值模拟, 从平衡接触角角度分析了温度影响壁面润湿性及铺展过程的内部机理. 研究表明: 随温度梯度增大, 液滴所受Marangoni效应增强, 致使液滴向低温区的铺展速率加快; 铺展过程中, 位于高温区的接触线与液滴主体部分间形成一层薄液膜, 重力与热毛细力先后主导该区域的铺展; 当液-固或气-液界面张力对温度的敏感度高于另两个界面时, 低温区方向的平衡接触角不断增大, 使壁面润湿性恶化, 导致液滴铺展减慢; 而当气-固界面张力对温度的敏感度高于其他两个界面时, 低温区方向上的平衡接触角将减小, 由此改善壁面润湿性, 加快液滴铺展; 在温度影响壁面润湿性和液滴铺展过程中, 平衡接触角起关键作用.     

分叉微通道内液滴动力学行为的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法模拟了液滴在分叉微通道中的迁移过程,主要分析壁面润湿性、毛细数、出口流量比对液滴动力学行为的影响机制.结果表明:当毛细数足够大时,液滴在支通道的迁移行为与壁面润湿性密切相关,对疏水壁面,液滴在主通道发生破裂生成两个子液滴,子液滴完全悬浮在支通道中并流向出口.而对亲水壁面,液滴首先同样破裂成两个子液滴,不同于疏水情形,子液滴紧接着发生二次破裂,导致部分二次子液滴黏附在固体表面上,另一部分流向出口;当毛细数足够小时,液滴则滞留在分叉口处,不发生破裂.最后,还发现通过调节出口流量比可以使液滴发生非对称破裂或者不破裂完全从流速较大的支通道流出.     

液滴在润湿梯度表面运动的分子动力学模拟

本文进行了液滴在不同润湿梯度表面运动的分子动力学模拟,通过改变Lennard-Jones(LJ)势参数来实现表面的不同润湿性。模拟结果表明在润湿梯度差为10°的界面上,疏水表面的液滴运动更快,达到最终界面所需时间最短,并且液滴运动方向距离最远。当润湿梯度差为20°和30°时,液滴在疏水表面工况的运动速度与从疏水跨越到亲水的工况之间的差距越来越小,并且液滴在从疏水跨越到亲水的工况达到了最远的运动距离。同时,润湿梯度差的增加也引起了液滴运动速度的增大。     

液滴在梯度微结构表面上的铺展动力学分析

本文通过改变肋柱宽度和间距, 构造了二级和多级梯度微结构表面, 采用格子-Boltzmann方法对液滴在两种梯度表面上的铺展过程进行了研究, 探析液滴运动的机理和调控方法. 结果表明, 在改变肋柱间距的二级梯度表面上, 当液滴处于Cassie态时, 接触角滞后大小与粗糙度梯度成正比关系; 当液滴从Cassie态转换为Wenzel态或介于两者之间的不稳定态时, 这一正比关系不再遵循. 在改变肋柱宽度的二级梯度表面上, 接触角滞后大小与粗糙度梯度始终成正比关系. 在多级梯度表面上, 随液滴初始半径增大, 接触角滞后减小, 但液滴平衡位置相较于初始位置偏离增大. 对梯度微结构表面上液滴运动和接触角滞后的定量分析, 可为实现梯度微结构表面液滴运动调控提供理论依据.     

基于范德瓦尔斯表面张力模式液滴撞击疏水壁面过程的研究

液滴撞击疏水壁面过程的研究在介观流体力学和微流体作用材料科学的研究中具有重要的理论意义和工程价值. 论文在SPH方法中引入范德瓦尔斯状态方程处理液滴表面张力, 考虑流体粒子之间远程吸引, 近程排斥的内部作用力, 提出了流体粒子与疏水壁面粒子间势能函数与表面张力相结合的作用模式. 通过模拟真空条件下两个静止的等体积液滴相互融合的过程, 验证了计算模式在模拟液滴的表面张力中的有效性. 采用该模式模拟的液滴撞击疏水壁面过程, 不仅能够有效地模拟液滴撞击壁面后的变形过程, 而且清晰地模拟出液滴的回弹、腾空以及二次撞壁现象的完整过程. 模拟结果与液滴撞击疏水壁面的实验结果以及VOF模拟结果符合较好, 表明本文所提出的表面张力和疏水壁面作用力处理模式对模拟液滴撞壁过程具有实际应用价值.     

Droplet transient migration and dynamic force balance mechanism on vibration-controlled micro-texture surfaces

In this paper, forced vibration was used to regulate the droplet migration, fully recording the transient migration of droplets on a micro-textured substrate under the resonance frequency by a high-speed camera. The influence of resonance frequency and dynamic migration characteristics of droplets on the solid micro-texture surface under lateral vibration were researched. The experiment demonstrates that the driving force is caused by the difference between the left and right contact angles made the droplet oscillate and migrate, and as time t increases, the left and right contact points are periodically shifted and the amplitude of migration increases. Therefore, based on the droplet migration behavior and its force balance mechanism, a spring vibration model of migration behavior of the vibrating droplet micro unit was set up to predict the complete trajectory of its migration on a solid surface. The calculation results show that the theoretical displacement is less than the experimental displacement, and the longer the time, the larger the difference. Affected by the vibration, part of the droplet permeates through the micro-texture, resulting in the droplet losing height and the contact angle becoming smaller as well. While the other part of droplet overcomes the internal surface tension to migrate.     

The theory of droplet diffusiophoresis for concentrated solutions

The theoretical diffusiophoresis velocity is obtained for a droplet of a concentrated solution suspended in a binary gaseous mixture. The droplet is characterized by a high thermal conductivity. The droplet radius is assumed to be much greater than the mean free path for gaseous-mixture molecules. One of the gaseous-mixture molecular components is the vapor of the droplet solvent. According to the formula obtained in this study, the droplet is driven toward lower concentration of the volatile gaseous-mixture component by diffusive slip and in the opposite direction by phase transition. An increase in the relative mass concentration of the volatile solvent in the droplet enhances effects associated with the dependence of surface tension on the volatile-component concentration and the reactive transport due to the surface nonuniformity of phase transition. As the relative mass concentration of the volatile solvent in the droplet approaches unity, the effect of diffusive slip tends to vanish.     

纳米流体液滴内的光驱流动实验及其解析解

在光透过性的流体介质中添加具有高光响应特性的纳米颗粒,可以形成光驱动纳米流体,实现对光能的高效利用.本文针对光驱纳米流体流动行为开展实验观察和理论分析研究,这是实现光驱纳米流动精确调控的理论基础.首先利用粒子图像测速技术对液滴中直径为300 nm的Fe3O4颗粒在不同光源照射下受Marangoni效应诱导的运动进行了实验观测,研究光能向动能的高效转化机制.实验结果表明,当颗粒浓度大于临界数密度时,可诱导出垂向具有对称结构的涡,在液滴底部颗粒由四周向中心运动,顶部则由中心向四周运动,光源频率和颗粒数密度是这一过程的主导因素.随后,针对光强高斯分布的紫外光驱动下大颗粒数密度、特征流速约mm/s的光驱纳米流体,通过Stokes方程和表面张力梯度边界条件实现了其流场分布的解析求解,理论获得的流场分布解析解与实验测量结果保持一致,证实定量理论分析的有效性.最后,讨论了引入表面张力与在液滴底部引入表面压力及体相中集中引入光辐射力的不同驱动模式之间的相关性.这一研究成果为光微流控系统中流动行为的精确调控及光能的高效转化等提供了理论支持.     

界面张力对Rayleigh-Taylor不稳定性的影响

将具有简单速度势的Layzer模型和Zufiria模型推广至非理想流体情况, 并分别利用这两种模型研究了界面张力对Rayleigh-Taylor不稳定性的影响. 首先得到了两种模型下气泡的渐近速度和渐近曲率的解析表达式; 其次系统研究了界面张力对气泡的渐近速度和渐近曲率的影响; 最后将两种模型进行了比较, 并将气泡的渐近速度和数值模拟进行了比较. 研究表明: 界面张力压低了气泡的速度, 但对曲率没有影响; 利用简单速度势的Layzer模型所得的气泡的渐近速度比复杂速度势的Layzer模型的值小, 但是比Zufiria模型的值大; 当阿特伍德数等于1时, 简单速度势的Layzer模型和复杂速度势的Layzer模型给出的结果一致. 关键词： Rayleigh-Taylor不稳定性 界面张力 Layzer模型 Zufiria模型     

Transient convective burning of a periodic fuel-droplet array

The transient convective burning of fuel-droplets interacting within 3-D infinite periodic arrays in a hot gas stream is numerically studied for the first time, with considerations of droplet regression, deceleration due to the drag of the droplets, internal liquid motion, variable properties, non-uniform liquid temperature, surface tension, and n-octane one-step oxidation kinetics. Depending upon the initial conditions and other constraints, a flame is established early as either a wake flame or an envelope flame. An initial envelope flame remains an envelope flame, and an initial wake flame has a tendency to develop from a wake flame to an envelope flame. The flame shows no strong tendency to modify significantly the standoff distance during the lifetime of the droplet. For an initial wake flame, the moment of wake-to-envelope transition is advanced as the initial droplet spacing (intermediate) is decreased, but tends to be postponed as the initial droplet spacing is further reduced. The burning rate at smaller initial droplet spacing or smaller initial Reynolds number might be greater for some period during the lifetime because of an earlier wake-to-envelope transition which elevates the average surface temperature. Lower ambient temperature yields a later wake-to-envelope transition time and smaller mass burning rate. At the lower ambient pressure with the same initial relative stream velocity, the average surface temperature is reduced, the wake-to-envelope transition is later, and the mass burning rate is smaller. Validation of our analysis is made by comparing with the results of an isolated droplet Wu and Sirignano [11].