适用于粒子法的精准连续表面力模型

针对粒子法中表面张力计算的准确性问题,该文对连续表面力(continuum surface force,CSF)模型进行了改进。在采用一种几何法精准识别界面粒子的基础上,曲率由仅需考虑作用域内界面粒子的单位法线面散度计算得到,且表面张力仅作用于界面粒子。圆和椭圆的曲率计算结果表明,改进后的模型在合适的分辨率和光滑长度下可实现较高的曲率计算精度。采用移动粒子半隐式(moving particle semi-implicit,MPS)方法对表面张力作用下的方形液滴振荡和液滴碰撞过程进行了二维单相流动模拟,模拟结果的振荡周期与理论值接近,液滴形状合理且表面光滑,表明改进后的CSF模型可准确地模拟动态算例中的表面张力作用。     

基于图像处理的沥青表面自由能测试

为了合理地评价沥青粘附性,基于表面物理化学理论,分析了由液固界面接触角确定表面自由能的测试原理,提出了基于数字图像处理的沥青表面自由能测试方法,并确定了图像处理的有效算法.由此提取的液滴边界清晰、定位准确.同时,提出了采用椭圆曲线对液滴边界进行拟合的方法.试验结果表明,椭圆曲线与液滴边界像素点非常吻合,很好地表征了液滴...     

双液滴撞击固壁及液膜问题的三维SPH模拟

通过表面力张量的梯度离散合理引入表面张力效应,并以方形液滴的振荡问题为例,验证了表面张力模型的有效性。基于光滑粒子动力学(SPH)方法,对双液滴相继撞击固壁及液膜问题进行了三维数值模拟,并通过与实验结果的比较验证了方法的有效性,分析了液滴间垂直距离对流动过程的影响,精细地捕捉了液滴产生"皇冠"状水花并发生飞溅、不连续液面的流动过程。数值结果表明:SPH方法能够有效而准确地描述三维双液滴撞击固壁及液膜问题的自由面变化特征,SPH方法对处理自由表面大变形问题具有较好的优势。     

润湿性表征体系及液固界面张力计算的新方法（Ⅰ）

设计了一种在有限液固界面上润湿性的表征体系，建立了在该系统中固相表面张力γsg和液固界面张力γsl的表达式。结果表明，固相表面张力γsg和液固界面张力γsl可以通过液相表面张力γlg和接触角θ求解，γsg=γlg是液相在固相表面完全润湿的临界条件。在此基础上，推导出液相在无限固相表面上液固界面张力γsl的表达式，表明γsl仅仅是液相表面张力γlg和接触角θ的函数；其数值范围为：O≤γsl≤γlg。因此，固相表面张力γsg和液固界面张力γsl均可以通过液相表面张力vlg与接触角θ直接求解。推导出液相在固相表面上粘附功Wn的表达式，该结果与Dupre方程一致。     

含有机溶剂的水滴在不同固体壁面润湿性的分子动力学

采用分子动力学方法对液滴在固体壁面上的润湿行为进行模拟计算,分析了不同含量溶剂的水滴在硅表面和碳表面的润湿行为,以及液滴在硅表面和碳表面的张力和两者之间相互作用能。结果表明:随着液滴中有机溶剂质量分数的增大,液体的表面张力随之减小,液滴与固体壁面之间的相互作用能增加,接触角随之减小;改变固体表面材料也可改变液滴与固体壁面之间的作用能,亲水表面上液滴与固体壁面之间的相互作用能较大,固体表面对液滴的吸引力较强,使得液滴在表面上的接触角减小,液滴在固体表面的润湿性能液滴增强。温度升高导致表面张力减小,但表面张力变化较小,因此接触角几乎不变。     

基于晶格Boltzmann方法研究微液滴形变中接触角

接触角是常见的自然现象,是液体对固体表面浸润的结果,通过测量接触角可以判断固体表面亲疏液体的性质。从热力学自由能理论出发,采用基于化学势的多相流晶格Boltzmann方法研究表面上微小液滴形变中的接触角变化。通过设置不同的化学势来改变固体表面的亲疏液体性质,模拟计算中既有落在固体表面之上的液滴,也包括悬挂在固体表面下方的液滴。在忽略重力作用的情况下,模拟得到的接触角与球冠法的理论预期一致,并且液滴的接触角可以通过表面化学势线性调节。在考虑重力作用的情况下,虽然不同大小的液滴发生了明显的不同程度的形变,但是模拟计算所得的接触角保持不变,验证了微观接触角与重力无关的理论。     

基于界面相互干扰能分析法的二乙醇胺水溶液自发浸润聚偏氟乙烯疏水微孔膜的机理研究

通过van Oss范德华表面张力拟合法,拟合出了聚偏氟乙烯（PVDF）疏水微孔膜和润湿PVDF膜的各界面张力,证实了表面活性剂的吸附入侵机理同样适用于二乙醇胺（DEA）溶液浸润PVDF膜。通过吸附实验和HyperChem软件的分子优化推算出了DEA分子在固液界面的相互干扰能,利用Hamaker算法计算了DEA分子与PVDF膜的相互干扰能。结合DEA分子的固液、固气相互干扰能和Starov界面吸附常数方程,定量计算出了DEA分子在PVDF膜上的固气界面吸附常数几乎为0,即DEA分子在自发浸润过程中吸附在固气表面的可能性极小,从而证实了DEA溶液缓慢浸润PVDF疏水微孔膜的机理是由于固液界面吸附导致固液界面张力下降而引起的液气界面附加压力反向。从相互干扰能的角度研究了润湿现象,并基于所得机理提出了抵抗润湿的方法。     

球形固体粒子在两不互溶液体间的分配

本文讨论了球形固体粒子(3)在两不互溶液体(液(1)、液(2))间不同程度浸润时系统的总界面Helmholtz自由能,根据界面热力学原理,得出了液(1)、液(2)、固之间三个界面张力各种可能情况下,粒子如何在两液相间分配。在三个界面张力能成平衡时,粒子的分配符合Young氏方程。绘制了以液(1)相中球形粒子的界面自由能为基准的相对界面自由能曲线图。     

单液膜气泡聚并和连接过程的移动粒子半隐式法数值模拟

为了研究单液膜气泡单层液膜包裹气体的特殊结构形式和内外壁面均受气液表面张力的特殊力学形式,在拉格朗日框架下采用无网格移动粒子半隐式法并基于表面自由能表面张力模型,建立了单液膜双气液界面表面张力模型,从而实现了单液膜气泡振荡变形过程中的复杂界面计算和捕捉。在此基础上对2个单液膜气泡的聚并和连接过程进行了模拟分析,获得了典型的流动现象和液膜变形特征与规律,发现减小表面张力系数或增大黏性系数均会减弱气泡变形过程中表面张力项的变形主导作用。为此,提出了凹点切线法用于计算连接型气泡的液膜夹角,明晰了连接型气泡的形状。计算结果可为工业消泡技术提供一定的理论依据。     

防淡水壳菜附着涂料的快速评价指标体系

涂料防止淡水壳菜附着是一种相对可行、高效的防治方法,提出能够快速评价防附涂料效果好坏的指标是筛选防附涂料的关键依据。该文利用人工附着试验研究了市场上17种商用混凝土防护涂料(聚脲、硅烷、环氧树脂等)防止淡水壳菜附着的效果,分析不同材料上的附着足丝数、附着力强度、表面接触角等,提出防护涂料防淡水壳菜附着性能的快速评价指标。结果表明:淡水壳菜的平均附着足丝数和平均附着力与材料表面的接触角呈负相关关系,与表面自由能色散力分量(Fowkes法)呈正相关关系,与固液界面能(ZDY法)呈负相关关系,与固体表面自由能(ZDY法)呈正相关关系。因此,涂层表面的接触角、表面自由能色散力分量、固液界面能和固体表面自由能等指标大小可以作为防附涂料效果好坏的快速评价指标,将为南水北调等跨流域大型调水工程防附涂料的选择提供科学指导。     

煤层注水中粘尘棒溶液对接触角的影响

研究了煤层注水中添加粘尘棒溶液降低接触角、缩短接触润湿时间的除尘方法.通过测定和分析粘尘棒溶液不同浓度下七种煤样的接触角和润湿时间,比较得出了七种煤样的临界表面张力,为35.0 mN/m,发现注入水的表面张力是增加煤层注水湿润效果的主要因素.该法可以大大提高煤层注水降尘效果,而且添加工艺简单,方便实用.     

基于格子玻尔兹曼的润湿性对降压效果的研究

改变油藏润湿性和降低油水界面张力是解决低渗/特低渗油田注水压力高问题的有效方法。而室内驱替实验时,表面活性剂浓度不仅影响油水界面张力,还会影响岩石表面润湿性能,无法准确评价表面活性剂的润湿性能对降压效果的影响。格子Boltzmann方法通过控制流体和固体间作用参数能够独立控制界面张力大小,并能够模拟任意接触角变化。因此,基于格子Boltzmann方法,应用二维平板模型,考虑粗糙表面,设置微观梯形结构,研究了毛管数、邦德数及黏度比等不同无量纲数条件下润湿性改变对降压率的影响。结果表明,毛管数越小,邦德数越大、黏度比越大、接触角越小,降压率越高、降压效果越明显;接触角存在一个最佳范围,超过此范围继续降低接触角,降压效果不明显;对于多孔介质,改变润湿性对降压率影响比单通道更加明显。     

木塑复合材料表面润湿性研究

利用JC2000A型接触角测量仪,通过对接触角的测量,计算并分析了蒸馏水和甘油2种液体对聚苯乙烯塑料及其木塑复合材的表面润湿性.试验结果表明:随着塑料中木材含量的增加,材料的表面能也在增加;同时,利用接触角数学模型方程能够较好地拟合聚苯乙烯及其与木材复合材的接触角随时间的变化规律.     

一种适用于移动粒子半隐式法的自由表面识别方法

针对移动粒子半隐式 (MPS) 法中自由表面判定方法的不足,提出了一种基于邻居搜索的自由表面识别方法,其介于MPS法每时间步的显式和隐式修正之间,基于粒子周围的邻居分布,将周围区域分为8块,其中相邻区域无邻居时的粒子属于自由表面粒子,且在实际中,该方法与粒子数密度参数混合使用,在可能被误判的数密度参数区域使用邻居搜索.结果表明,该混合方法能够有效识别自由表面,避免非自由表面粒子被误判,且对算法的效率影响不大.     

页岩储层两相流体润湿滞后对流动阻力的影响

通过揭示两相流体润湿滞后对启动压力和流动阻力的影响机理,基于静态润湿滞后方程及动态接触角方程,分别建立了两相流动中气泡/液滴欲移动时的启动压力模型和运动后的流动阻力模型。基于前人实验数据,应用建立的模型,分别计算得到由润湿滞后引起的不同温度和压力下的启动压力,以及不同孔隙尺度、黏度和表面张力下的流动阻力。结果表明,在页岩纳米级孔隙中,由于孔喉细小,静态润湿滞后和动态润湿滞后引起的启动压力和流动阻力较大,均不可忽略;动态润湿滞后引起的流动阻力大于静态润湿滞后引起的启动压力,且随着流速增大,这种流动阻力也持续增大,但增速幅度逐渐降低。该研究为页岩储层两相流体启动压力和流动阻力的精确表征提供了数学模型,将为页岩气开发及页岩储层中CO₂地质埋存的准确数值模拟提供部分理论基础。     

表面活性剂与PTFE涂层结构对润湿性的影响

以粗糙的超疏水聚四氟乙烯(PTFE)涂层为基体,研究表面活性剂的加入对溶液在粗糙PTFE涂层表面润湿性的影响.利用粗糙PTFE涂层表面Cassie方程计算和原子力显微镜(AFM)对表面活性剂分子在涂层表面的形貌进行表征.结果表明,在低表面张力范围内表面活性剂溶液不能润湿粗糙的超疏水PTFE涂层,而具有相似表面张力的有机溶剂可以润湿涂层表面.表面活性剂溶液与粗糙PTFE涂层表面接触时的空气分率始终维持在0.5以上,溶液不能完全进入PTFE粗糙结构,这点是导致低表面张力的表面活性剂溶液在粗糙PTFE涂层上不能润湿的原因.     

氩离子等离子体源离子注入的数值模拟

应用PIC-MCC方法模拟了氩离子等离子体源离子注入过程,考虑了离子与中性粒子的电荷交换碰撞和弹性散射,模拟了不同电压、不同气压及不同等离子体密度下氩离子到达靶表面的能量分布和入射角分布,讨论了碰撞对能量分布和入射角分布的影响.     

移动粒子半隐式方法的计算效率优化

针对无网格法计算效率普遍不高的局限性,以移动粒子半隐式(MPS)方法为例,将计算耗时较多的程序模块作为优化对象,以降低计算等级和减少计算次数为优化手段,从搜索算法、数学运算和计算实现形式3个主要方面进行了改进.提出了用低级运算来代替高级运算、用方位比较来代替距离比较的位置比较消冗法来优化搜索算法,消除了大部分无效计算,大大降低了计算的复杂程度和计算量,使得该方法的计算效率得到显著提高,增强了MPS方法的应用范围和工程时效性.该算法具有非常好的普适性,容易在类似算法中移植,还有随着计算规模的增大优化效果更加明显的特点.同时,发现多种优化方式的组合使用并非效果叠加,需考虑它们的兼容关系.     

电解液体系对镁合金微弧氧化涂层的影响

采用3种电解液体系对AZ91镁合金进行微弧氧化（MAO）处理。通过扫描电子显微镜和能量色散光谱观察涂层的表面形貌和元素组成,利用X射线衍射仪对涂层物相进行分析。同时,通过比较不同电解液体系微弧氧化涂层的粗糙度、润湿角和结合力来评估其特性,并利用极化曲线评价其耐蚀性能。此外,还使用模拟体液（SBF）浸泡实验来评估涂层的生物降解性能。结果显示：微弧氧化涂层具有良好的结合力;不同电解液体系处理得到的涂层在表面形貌和物相上存在差异,其中磷酸盐体系和硅酸盐体系具有较高粗糙度,而铝酸盐体系则具有较低粗糙度;此外,在各个系统中,磷酸盐体系呈现最小的润湿角值,而铝酸盐体系呈现最大值;这些差异导致了磷酸盐体系涂层耐蚀性最强,硅酸盐体系涂层次之,铝酸盐体系涂层耐蚀性最差;模拟体液浸泡21 d后的涂层表面产生了开裂,但耐蚀性得到了提高,这归因于浸泡过程中腐蚀产物和钙磷盐沉积物对于涂层的覆盖作用。     

Physical and numerical modelling of biomimetic approaches of natural hydrophobic surfaces

Physical and numerical models of the hydrophobic and self-cleaning characteristics of an object surface are developed, and a micro/meso scope numerical approach and simulation based on the lattice Boltzmann method (LBM) is achieved. The modelling focuses on surface tension dominated behaviour of water droplets in air spreading on hydrophilic surface with hydrophobic strips of different sizes and contact angles under different physical and interfacial conditions. Applying the LBM model, the droplets behaviours on heterogeneous partial wetting surfaces are studied and simulated. In the simulations, the interactions between the fluid-fluid interface and the partial wetting wall are typically considered; the phenomena of droplets spreading and breaking up, as well as the effect of hydrophobic strips on the surface wettability or self-cleaning characteristics are simulated and studied. Supported by the UK Engineering Physical Science Research Council (EPSRC) under EP/D500125/1 and International Cooperation Key Project of Ministry of Science and Technology of China (Grant No. 2005DFA00805)