改性疏水固壁润湿性反转现象的格子Boltzmann方法模拟

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.10(2014)104701改性疏水固壁润湿性反转现象的格子∗Boltzmann方法模拟刘邱祖1)2)寇子明1)2)贾月梅3)吴娟1)2)韩振南1)y张倩倩1)1)(太原理工大学机械工程学院,太原030024)2)(山西省矿山流体控制工程实验室,太原030024)3)(太原理工大学力学学院,太原030024)(2013年12月2日收到;2014年1月25日收到修改稿)基于疏水固壁改性会引起润湿性反转的特点,采用考虑固体与液体间分子力的格子Boltzmann方法,从壁面的线性和瞬时改性两方面对润湿性反转现象进

2、行了数值模拟,并结合流体体积方法处理界面层质量.结果表明:壁面线性改性的过程中润湿性反转变化平稳,润湿所需时间大幅减少,所得到的接触角与固液吸引力系数的关系与其他文献结果一致;壁面瞬时改性幅度越大说明固壁对液滴作用力越强,表现为润湿性变化越明显,瞬时改性后接触角随时间呈指数规律变化,这与现有结论相符合.研究发现:在改性条件下液膜铺展过程中伴随着振荡变化,线性改性的振动峰值与改性幅度相关;瞬时改性的液膜速度会在某一时刻突然增大,这种现象与夹带空气有关.关键词:改性疏水固壁,润湿性反转,格子Boltzmann方法,数值模拟PACS:47.11.–j,68.35.J

3、a,68.08.BcDOI:10.7498/aps.63.104701速成像实验角度对液滴沿不同固壁的铺展半径变1引言化情况进行了研究.Beacham和Matar[7]研究了液滴表面张力对润湿特性的影响.Liu等[8]通过测量润湿性反转是在液滴沿固壁铺展范畴内一种微/纳米级层次的结构模型分析了硅表面水润湿接典型的液体表面自由流动现象,普遍存在于湿式触角的变化.Zhu等[9]利用硬脂酸研究了铜表面降尘、喷淋冷却、煤层注水、煤层气采收、原油化学的润湿性改性.毕菲菲等[10]利用高速摄像机研究驱等工业领域.尤其是针对疏水固壁,对于如何改了不同液滴撞击固壁后的振荡特性

4、.Yang等[11]以善其润湿性能并使之表现出亲水性一直是一个难疏水性碳纳米管为研究对象,研究了在加热状态题.对润湿性反转现象的研究不仅能促进对气液两下表面活性剂超亲水润湿性的变化.Gao和Sun[12]相流问题的理论探讨,而且对生产应用也具有积极使用半经验原子嵌入法建立铺展过程的分子动力的意义.在固壁改性导致的润湿性反转过程中,常伴有夹带空气、振荡等物理现象,这增加了研究的学模型,分析了固液界面结构对润湿性反转的影[13]困难[13].响.Gong等通过所建立的疏水表面的半浸润近年来,国内外学者针对润湿性反转现象开展模型分析了润湿接触角与固体参数、液体参数

5、间的了大量研究工作.Tsekova等[4]通过建立润湿特性关系.的单相自由面模型,研究了固壁参数与润湿接触虽然上述研究工作分析了液体流动特性,但对角间的关系.文献[5,6]分别从时间演化角度和高其中内部分子动力学特性的考虑尚存在不足.目国家自然科学基金联合基金(批准号:U1261107)资助的课题.†通讯作者.E-mail:zhennan_han@hotmail.com©2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn104701-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.10(2

6、014)104701前反映分子间相互作用力的方法主要有光滑粒子fa(x+ceaδt,t+δt)=f˜a(x,t),(2)动力学(SPH)方法和格子Boltzmann方法(LBM).式中,fa和f˜a分别为碰撞前后a方向的粒子分布函SPH方法作为一种具有自适应性的纯拉格朗日无数;x为位置坐标;c为粒子运动速率,c=δx/δt,其网格算法,适合求解诸如液滴碰撞破碎等大变形问题[14;15].LBM是一种求解流场方程的介观领域中δx和δt分别为网格步长和时间步长;τ为无量纲弛豫时间;feq为平衡态分布函数.的数值方法,其基本演化方程经多尺度展开可得a平衡态分布函数f

7、eq是宏观变量ρ,u的函数,到Navier-Stokes方程.LBM与宏观流体力学存在a采用Boltzmann-Maxwell平衡分布的O(M2)阶近天然的联系,能够深刻地反映流体本质的物理特似,即性.在近20年来,该方法取得了飞速的发展,具有[()22]天然的并行性、编程简单及边界条件容易实现等优eqeau1eauu点[2;16].关于液滴沿固壁铺展动态过程,已有不少fa=ρwa1+c2+2c2−2c2,(3)sss√学者建立了相应的LBM研究模型.液滴铺展是自3由能趋于最小化的过程,研究多是从这个角度出发式中,cs=3c,ea和wa分别为离散速度和数值积通

8、过控制不同的润湿边界条件建立相应的模型