液滴碰撞亲—疏水性组合壁面过程的数值模拟

液滴碰撞亲—疏水性组合壁面过程的数值模拟

【摘要】： 浸润性是影响液滴碰撞动态特性的重要因素之一:亲水性壁面有利于液滴快速铺展,而疏水性壁面有利于液滴发生反弹。利用该特性,将不同的浸润性组合在同一个壁面上,可以产生很多新的应用。比如:在超疏水性壁面上设置亲水点将壁面分割成多个微小的单元,可以形成“液滴微阵列”,实现细胞筛选等实验的高度并行化和小型化。这个过程中,为了保证实验的准确性,需要避免相邻区域的液滴发生相互干涉。这就要求在掌握液滴碰撞特性的前提下,对壁面上亲水点的大小及亲水点间的距离进行设计。针对以上问题,本文采用VOF方法对液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的过程进行数值模拟。为了得到一般性结论,将液滴性质、壁面亲水点尺寸等影响参数合并成三个主要无量纲参数術、Oh、和β_i。其中,We数代表惯性力与表面张力的比值,Oh数代表粘性力与表面张力的比值,β_i代表亲水点与液滴初始直径的比值。通过无量纲计算,分别改变以上参数,重点研究三个问题:(1)液滴发生破碎的条件;(2)液滴最大铺展直径的变化规律;(3)液滴最终稳定直径的变化规律。在We=1～100,Oh=0.001～01β1和β_i=0.5～10的工况范围内进行计算,结果表明,随着We、Oh、和β_i的变化液滴表现出三种碰撞结果,分别为不破碎、单液滴破碎、多液滴破碎。在Oh-We图中,液滴不发生破碎发生在右边及下边区域;单液滴破碎发生在中间区域;多液滴破碎发生在左上角区域;增大β_i可以使不破碎的区域增大。其中单液滴破碎是指液滴只发生一次破碎,主要受表面张力和壁面粘附力的影响;多液滴破碎是指液滴发生多次破碎,除上述原因外还受到毛细波的影响。在We数较小时,如果β_i也较小,则亲水点的存在不会影响最大铺展直径;如果β_i较大,则会将液滴限制在亲水点内,最大铺展直径≤亲水点直径。在We数较大时,惯性力处于主导地位,最大铺展直径则不受亲水点大小影响。液滴稳定状态下,动能全部耗尽,稳定直径与初始状态无关,由壁面性质决定。因此稳定铺展因子β_s(液滴稳定直径与亲水点直径之比)与Re、We无关,而与β_i呈一一对应的关系。当β_i=0.5时,液滴边缘超出了亲水性区域,β_s≈1.26;当β_i=(?)、1.5时,液滴边缘被限制在亲-疏水性分界线上,β_s≈1.0;当β=2.0,液滴稳定在亲水性区域内部,β_s≈0.81。

【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017

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