电润湿液滴微流控芯片液滴驱动的EHD数值模拟

利用液滴电水动力学方法,通过求解耦合的N-S方程,VOF方程以及电场方程,首次对电润湿非接地型单板式(开放式)液滴微流控芯片的液滴驱动过程进行了数值模拟研究.结果表明,在液滴向驱动电极运动的过程中,液滴形态呈现摇摆特性,前进和后退接触角呈现震荡特性,液滴运动速度逐渐下降,并最终停留在零电极和驱动电极的中间位置.     

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。     

微管道内两相流数值算法及在电浸润液滴控制中的应用

叙述了一种模拟电介质电润湿(electrowetting on dielectric，EWOD)下的微液滴的运动的数值方法. 采用二阶投影法求解N-S方程和level set 函数，并利用零level set函数俘获液滴运动界面，在液体与固体接触的边界上，通过引入动态接触角表征电介质表面润湿性随电势的改变. 数值计算基于MAC网格，模拟了2维微管道内与固体壁面接触的变润湿性的两种液体的分界面形状、平板上的微液滴在不同电势作用下处于不同湿润性的形态，以及微管道内改变接触角液滴的运动变形过程等算例. 关键词： 电浸润 接触角 level set函数 投影法     

竖直表面液滴运动的数值模拟

为研究具有不同润湿特性的表面上液滴运动的规律,本文依据液滴接触角与基底方位角的关系以及运动液滴的动态接触角模型,运用Fluent软件,实现了对竖直表面上静止和运动液滴的数值模拟,得到了液滴的形貌以及内部的速度分布。模拟所得竖直表面上静止液滴和运动液滴的接触角和形貌均与实验结果吻合较好。液滴内部速度分布表明,裸铝表面(亲水)上液滴的运动方式为滑动;114°疏水表面上的液滴内部出现不完整的环流,但仍然以滑动运动为主;而145°疏水表面上液滴以滚动方式向下运动,液滴运动较快。     

疏水表面振动液滴模态演化与流场结构的数值模拟

为了研究疏水表面垂直振动液滴的运动规律,本文建立了振动液滴的三维模型,考虑了振动液滴的动态接触角变化过程,通过流体体积函数和连续表面张力(volume of fluid-continue surface force, VOF-CSF)方法实现了液滴受迫振动的数值模拟,得到了液滴的四种模态(2, 4, 6和8)动态演化过程、内部流场结构以及动态接触角的变化规律.随着振动加速度的改变,液滴可表现出丰富的模态,而具体模态依赖于振动加速度的频率变化.以此为基础,本文对液滴的内部流场结构做了进一步的分析.在模态2和模态4时,液滴内部流动从底部向上产生"Y"型流动,而在模态6和模态8时呈现对称的涡流动.且共振模态阶数越高,液滴内部速度平均值越大.液滴振动时的动态接触角明显偏离静态接触角,表明液滴振动模型有必要考虑动态接触角.模拟结果与文献中的实验结果做了对比,结果符合良好.     

亲水性微观粗糙表面润湿状态转变性能研究

以亲水性微观粗糙表面上不同几何形貌及分布的微柱阵列为对象, 讨论了液滴在亲水性粗糙表面上的润湿过程以及润湿状态的转变阶段. 从能量角度分别考察了微观粗糙结构几何形貌及分布、微柱几何参数、固体表面亲水性、接触角滞后作用等因素对液滴润湿状态转变的影响规律. 研究发现: 在亲水粗糙表面, 正方形微柱呈正六边形阵列分布时, 液滴更容易形成稳定的Cassie状态, 或者液滴仅发生Cassie状态向中间浸润状态的转变; 与此同时, 减小微柱间距、增大方柱宽度或圆柱直径、增大微柱高度、增强固体表面的亲水性将有利于液滴处于稳定的Cassie状态, 或阻止润湿状态向伪-Wenzel或Wenzel状态转变; 然而, 当液滴处于Cassie状态时, 较小的固-液界面面积分数或减弱固体表面亲水性能均有利于增大液滴的表观接触角, 因此在亲水表面设计粗糙结构时应综合考虑润湿状态稳定性和较大表观接触角两方面因素; 此外, 接触角滞后作用对于液滴状态的稳定性以及疏水性能的实现具有相反作用的影响. 研究结果为液滴在亲水表面获得稳定Cassie状态的粗糙结构设计方法提供了理论依据. 关键词： 亲水表面 微观粗糙结构 表面自由能 润湿状态转变     

超疏水-疏水组合表面蒸汽冷凝的实验研究

液滴的快速脱落和移除对蒸汽滴状冷凝传热具有重要的影响,超疏水表面由丁二具有接触角大,接触角滞后小的优点而用于驱动冷凝液滴的自发运动,但是,常压蒸汽在超疏水表面冷凝时,液滴的润湿形态还没有定论。本文设计了超疏水疏水条纹间隔排列的超疏水一疏水组合表面,研究了常压蒸汽在组合表面上的冷凝过程,观测了液滴的运动特性,测量了超疏水一疏水组合表面上常压蒸汽冷凝传热性能。实验结果显示疏水区液滴在表面张力差的作用下从疏水区向超疏水区自发迁移,说明超疏水区液滴处于Wenzel润湿形态,超疏水一疏水组合表面蒸汽冷凝传热性能比完全超疏水和完全疏水表面传热性能的面积加权平均值大。说明液滴的自发迁移运动强化了疏水区的传热性能。     

液滴撞击微尺度矩形沟槽表面的数值研究

采用CLSVOF方法建立了液滴撞击微尺度矩形沟槽表面的三维数值模型,对撞击过程中的动态特性及传热特性进行了数值研究。分析了液滴在微尺度矩形沟槽表面的润湿状态,给出了液滴润湿状态转变的临界速度。研究了表面接触角及撞击速度对液滴铺展特性的影响。数值研究结果表明:微尺度沟梢结构会使液滴在撞击后产生横纵差异。液滴的最大铺展因子随着撞击表面接触角的增大而减小,随着撞击速度的增大而增大。液滴撞击微尺度矩形沟槽表面后,撞击表面的热流量先增大后减小。撞击表面的最大热流量受到表面接触角与沟槽深度的耦合作用,撞击表面的最大热流量随着表面接触角的增大而减小。     

疏水性润湿梯度表面液滴脱离过程的实验研究

基于标准MEMS工艺设计并加工了一种具有微结构的疏水润湿梯度表面,通过光学可视化测试系统,采用高速图像采集装置和标准振动台研究了液滴与润湿梯度表面脱离过程中,形态、接触角、受力等参数的变化规律。结果表明:液滴在与疏水润湿梯度表面脱离过程中,将出现拉伸现象,处于相对疏水侧的边缘脱离速度要快于处于相对亲水侧。脱离过程中液滴高度、宽度和接触角变化可明显分为两个区域,两区域内液滴高度、宽度和左右两侧接触角变化呈现出显著不同。通过液滴与微结构顶部间受力分析发现,润湿梯度造成的液滴受力不均是导致液滴边缘脱离速度出现不对称的原因。     

电驱动引发液滴弹跳过程中的能量转换

许多工业技术如凝结散热和燃料电池等要求实现固液分离,电润湿是引发液滴从疏水表面脱离的一种有效的方法,而且方便控制.电场激励的液滴弹跳依赖于表面能向动能和其他形式能量的转化,目前尚缺乏对这一过程的深入研究.本研究利用高速摄像机捕捉了在电润湿激励下疏水表面液滴的弹跳运动,根据接触角和液滴形态的变化预估了引发液滴弹跳的电压阈值,并利用自编Matlab程序分析和计算了在液滴脱离表面和反复弹跳过程中各种形式的能量.结果表明,液滴质心的动能和势能在液滴脱离表面飞行期间存在明显的耦合关系,振动动能和表面势能在飞行阶段也存在一定的耦合关系,液滴黏性引起的内部耗散随着液滴振荡变形的幅度增大,并随着时间衰减.由于可以引发液滴振荡变形并制造更多的表面能,在液滴弹跳中交流脉冲比直流电更高效.通过揭示电润湿驱动的液滴弹跳过程中能量的转化和耗散机制,为该技术在固液分离和三维数字微流控中的应用提供了理论参考.     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

前进接触线薄液膜结构与运移机制

气-液-固三相接触线薄液膜微观结构认识不清使得动态接触角预测问题始终存在争议.本文通过大规模分子动力学模拟研究液滴动态润湿过程,获得了完全浸润液滴前进接触线区域的前驱液膜结构、部分浸润液滴前进接触线区域的纳米级凸起结构.首次在模拟中获得了微观接触角与宏观接触角随时间的动态演变规律.分子轨迹追踪揭示了接触线薄液膜区域流体在固体表面摩擦作用下,随速度增大从滑动为主向滚动为主的模式转变,进而在底层出现气体裹挟导致滑移、发生溅射的机制.本研究为进一步构建普适的动态接触角预测模型提供了关键物理依据.     

液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性

基于润滑理论,采用滑移边界条件建立了二维液滴厚度的演化模型和移动接触线动力学模型,利用数值计算方法模拟了均匀加热基底上固着液滴蒸发时的动力学特性,分析了液-气、固-气和液-固界面张力温度敏感性对壁面润湿性和液滴动态特性的影响.结果表明,液滴的运动过程受毛细力、重力、热毛细力和蒸发的影响,重力对液滴铺展起促进作用,而毛细力、热毛细力则起抑制作用;通过改变界面张力温度敏感性系数,可使液滴蒸发过程中的接触线呈现处于钉扎或部分钉扎模式,且接触线钉扎模式下的液滴存续时间低于部分钉扎模式;提高液-气与液-固界面张力温度敏感系数均可改善壁面润湿性能,加快液滴铺展速率;而增大固-气界面张力温度敏感系数则导致壁面润湿性能恶化、延缓液滴铺展过程;通过改变固-气界面张力温度敏感系数更有利于调控处于蒸发状态下的液滴运动.     

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     

微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟

微小液滴在不同能量表面上的润湿状态对于准确预测非均相核化速率和揭示界面效应影响液滴增长微观机理具有重要意义. 通过分子动力学模拟, 研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态. 结果表明, 固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同液滴铺展速率和润湿特性. 固液作用强度小于1.6的低能表面呈现疏水特征, 继续增强固液作用强度时表面变为亲水, 而固液作用强度大于3.5的高能表面上液体呈完全润湿特征. 受微尺度条件下非连续、非对称作用力影响, 微液滴气液界面存在明显波动, 呈现与宏观液滴不同的界面特征. 统计意义下, 微小液滴在不同能量表面上铺展后仍可以形成特定接触角, 该接触角随固液作用强度增加而线性减小, 模拟结果与经典润湿理论计算获得的结果呈现相似变化趋势. 模拟结果从分子尺度为核化理论中的毛细假设提供了理论支持, 揭示了液滴气液界面和接触角的波动现象, 为核化速率理论预测结果和实验测定结果之间的差异提供了定性解释.     

基于分水岭算法的电润湿特性研究

采用一种改进的分水岭变换算法研究导电液滴在微流控芯片表面介质上电润湿效应,获得了一个单像素宽度、连续的液滴边缘轮廓,得到了导电液滴在芯片表面的接触角随外加电势的变化规律,进而计算了导电液体的表面张力。相关结论为新型微流控光学变焦透镜阵列器件的设计和研制提供了依据。     

纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟

采用三维多相流格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM),对纳米结构超疏水表面液滴的冷凝行为进行模拟研究.通过Laplace定律和光滑表面的本征接触角理论对三维LBM模型进行定量验证.模拟分析了超疏水表面纳米阵列的几何尺寸和润湿性的局部不均匀性对冷凝液滴形核位置和最终润湿状态的影响规律.结果表明,较高的纳米阵列使液滴在纳米结构间隙的上部侧面和底部优先形核长大,通过采用上下不均匀的间隙可避免液滴在底部形核长大,而在上部侧面形核的冷凝液滴在生长过程中向上运动,其润湿状态由Wenzel态转变为Cassie态;较低的纳米阵列使液滴在纳米结构底部优先形核长大,液滴的最终润湿状态为Wenzel态;润湿性不均匀的纳米结构表面使液滴在阵列顶端亲水位置处优先形核长大,成为Cassie态.冷凝液滴在不同几何尺寸的纳米结构表面上的最终润湿状态的模拟结果与文献报道的实验结果符合良好.通过模拟还发现,冷凝液滴在生长过程中的运动行为与液滴统计平均作用力的变化有关.本文的LBM模拟再现了三维空间中液滴的形核、长大和润湿状态转变等物理现象.     

带凹槽的微通道中液滴运动数值模拟

运用改进的耗散粒子动力学方法模拟了液滴在由凹槽所构成的粗糙表面微通道内的运动行为.改进的耗散粒子动力学方法采用新近提出的一种短程排斥、长程吸引相互作用势能函数,从而可以模拟带有自由面的流体,如液滴等.模拟了新势能函数下液滴与固体壁面的静态接触角,并用2次多项式拟合了"接触角-a_wf/a_f"变化曲线.研究了液滴在带凹槽的微通道中运动时,微通道壁面浸润性、外场力、液滴温度对液滴流动特性的影响.研究表明壁面浸润性和外场力对液滴流动特性的影响较大,液滴温度对液滴流动特性的影响较小.研究结果对运用耗散粒子动力学方法模拟并分析微流体在复杂微通道的流动有一定的参考价值.     

加热基板上硅油液滴蒸发诱发的Marangoni对流失稳现象实验研究

实验观察了加热基板上0.65cSt硅油液滴蒸发过程Marangoni对流失稳现象及其演变规律,测量了Marangoni对流失稳的临界条件,分析了润湿半径和Ma数对液滴内Marangoni对流稳定性的影响。结果发现:只有当液滴的接触角减小到某一临界值以下时,液滴内才产生Bénard-Marangoni对流涡胞,涡胞呈"花瓣"状,液滴顶点处较尖细,三相接触线附近为圆弧形,涡胞相互挤压处呈直线形。随着蒸发的进行,涡胞变短变粗。涡胞数随润湿半径、Ma数的增大而增多。产生Bénard-Marangoni对流涡胞的临界接触角θ_c随Ma数的增大而增大。液滴边缘处始终为热毛细对流,无Bénard-Marangoni对流涡胞。     

固体表面液滴铺展与润湿接触线的移动分析

液滴在固体表面上的铺展行为与润湿特性对许多工业生产过程的研究具有重要意义.根据液滴在光滑表面上的受力情况,建立了液滴平壁铺展的动力学模型.应用润滑近似方法和二维Navier-Stokes方程,建立了液滴沿理想表面铺展的动量和连续性方程.根据建立的方程,应用数值解法求解并详细分析了液滴在铺展过程中膜厚、接触线铺展半径以及铺展速度随时间的变化关系.研究结果表明:液滴的铺展过程可分为扩展和收缩两个阶段,铺展过程伴随着表面能、动能以及各种势能的相互转化,液滴最终的铺展半径大小由固体基面固有的润湿特性所决定;液滴在铺展过程中出现的"坍塌效应"与弯曲液面处的Laplace压力差有关;铺展半径随时间变化的标定律近似满足"1/7"次方标度律.