液滴在化学异构表面上侧向弹跳的计算机模拟研究

液滴撞击润湿性不同的表面会产生不同的动态行为,数值模拟是研究该现象的一种有效方法.采用基于化学势的晶格Boltzmann方法,通过调整接触角来改变固体表面的润湿性,对液滴撞击单一接触角的疏水表面以及接触角分布不同的疏水表面所产生的动态行为进行模拟和分析.当给疏水表面施加单一接触角时,液滴的弹跳高度随表面接触角的增大而增...     

基于晶格Boltzmann方法的接触角实时测量研究

接触角在表面湿润、毛细现象和移动接触线等问题中是基本的特征量。虽然数值计算中已经可以有效地模拟接触角现象,但是在动态模拟中,接触角还不能被实时地精确测量。基于化学势晶格Boltzmann方法,本文设计一种几何的方法实时测量接触角。当忽略重力的影响时,该方法计算结果与球冠模型的理论预期保持一致,而且不受液滴大小的影响;当考虑重力影响时,虽然液滴呈现明显的变形,但是测量所得的微观接触角保持不变,与理论预期相符。当基板倾斜时,液滴的前进角逐渐增大,后退角逐渐减小,接触角迟滞越来越大,而且能够被实时地测量。     

纳米流体液滴瞬态蒸发速率影响因素实验研究

为了提升喷雾冷却等液滴蒸发应用过程的瞬态蒸发速率,该文探究纳米颗粒的加入对液滴瞬态蒸发特性的影响规律.通过可视化实验研究了水基CuO、Al2 O3纳米流体液滴在加热铜基板上的瞬态蒸发速率,测量了液滴蒸发过程中接触角、接触半径等形态参数随时间变化关系,并分析了纳米颗粒质量分数、基板加热温度对纳米流体液滴瞬态蒸发速率的影响...     

接触角滞后现象的理论分析

通过引入“滞后阻力”的概念,分别用力学方法和热力学方法导出固体表面上液滴平衡时接触角应满足的条件;定性地给出了表面湿润性和前进接触角与后退接触角同表面粗糙度的关系,分析了前进接触角和后退接触角的物理意义;由此给出了接触角滞后现象的一种合理解释．本的研究为汽液相变传热过程中的沸腾核化、临界热负荷、最小热流密度、珠状凝结等现象的深刻认识,开拓了新的思路,传统研究中对粗糙度影响的复杂定量化测量描述也可转化为用接触角单一参数表征和描述的简化方法．因此本的认识对研究沸腾和凝结传热有重要的现实意义．     

超声振动辅助摩擦堆焊热-流耦合数值模拟

传统摩擦堆焊能量输入形式单一，随着堆焊材料强度的提高，堆焊过程中需要施加更大的轴向压力和转矩，极大限制其推广应用.为了解决上述问题，提出一种在耗材棒前方的基板上施加超声振动的超声振动辅助摩擦堆焊新工艺.以Ti-6Al-4V为研究对象，基于超声宏观软化效应建立了一个三维热-流耦合数值模型，定量分析了不同振幅下的超声振动对摩擦堆焊过程中温度场和材料流动行为的影响.计算结果表明，超声振动的预热效应并不明显，随着振幅的增加，超声振动能够显著提高熔合区塑性材料流动速度，降低材料黏度，扩大塑性材料流动区域.     

无重力下油颗粒在纤维表面的形貌特征分析

考虑到液滴在纤维上的附着形态是滤网运行压降的重要影响因素,为探究油颗粒在纤维上的附着形貌,采用数学模型和数值模拟方法,对液滴附着形貌的几何特征参数进行预测计算.基于平面弯曲思路提出了蛤壳状数学模型,并采用有限元软件对蛤壳状数学模型和现有的梭状数学模型的精度进行验证.通过有限元软件和数学模型计算获得蛤壳状和梭状2种附着形貌的分界以及无量纲液滴体积和接触角对附着形貌几何特征的影响.结果表明,随着接触角的增加,液滴在一定直径的纤维上形成梭状所需的体积呈指数增加;在接触角θ10°和无量纲液滴体积不大于3时,蛤壳状数学模型的计算误差小于10%;接触角减小时润湿长度和自由表面增加,纤维和油颗粒的碰撞和接触几率增加;无量纲体积越小的液滴演变成液桥或液膜的几率越小.     

梯度表面能材料及液滴运动特性实验

采用十二烷基三氯硅烷(C12H25Cl3Si)和辛基三氯硅烷(C8H17Cl3Si),通过化学气相沉积的方法(CVD),在硅基板上制取了具有梯度表面能的材料表面.通过躺滴法,测量了梯度表面能材料水平表面上的微量液滴接触角的分布,并以此表征材料表面能的分布.实验表明:水平放置的梯度表面能材料表面可驱使其上面的直径为1～3 mm的液滴从憎水侧向亲水侧迁移,单个液滴的运动速度最大可达0.9 m/s.在实验观察的基础上,探讨了液滴在具有梯度表面能材料表面运动的机理.     

微结构疏水表面的液滴浸润特性

以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底采用光刻蚀法制备了具有不同粗糙度的微方柱结构疏水表面,研究了微结构疏水表面的液滴浸润特性.结果表明,微方柱高度对表观接触角影响很小,但会显著影响疏水表面液滴浸润状态的稳定性,当微方柱边长和间距一定时,存在一个临界高度,当微方柱高度大于该临界值时,液滴具有良好的稳定性.通过对不同温度下疏水表面液滴浸润状态的研究表明,在露点温度至环境温度区间内,随着温度的增加,表观接触角呈增大趋势;在环境温度至沸点温度区间内,随着温度的升高,表观接触角呈减小的趋势.研究认为,合理的微结构尺寸和应用环境温度对液滴浸润状态的稳定具有重要意义.     

基于液滴局部轮廓的接触角测量方法

为了实现超疏表面上液滴的接触角测量,提出了基于液滴局部轮廓的接触角测量方法,通过超疏水表面的接触角测量实验对所提出的测量方法进行了验证。结果表明:基于液滴局部轮廓的接触角测量方法能有效稳定地测量出超疏水表面上的液滴接触角值;实施提出的接触角测量方法时需要测量点均布在液滴高度的2/5范围内的液滴轮廓上;基于液滴局部轮廓的接触角测量方法中接触点的选择误差对接触角测量结果的影响是可控的。可见基于液滴局部轮廓的接触角测量方法可用于表征表面的润湿性能。     

液滴碰撞倾斜壁面的动力学特性

为了探究液滴碰撞在固体表面的动力学特性,该文进行了不同初速度的液滴以不同角度撞击光滑不锈钢表面的实验,通过实验研究了液滴的碰撞角度和Weber数对碰撞过程中液滴的动力学特性,如液滴前后沿点位移、最大铺展直径、滑移距离等的影响。结果表明:液滴的最大无量纲铺展直径随Weber数的增大而增大,随斜面倾斜角度的增大而减小;但是,液滴最终静止在表面时与表面的接触直径几乎不受Weber数和碰撞角度的影响,而是取决于液滴在表面上的前进接触角和后退接触角;另外,液滴的前后沿点位移和滑移距离随碰撞角度和Weber数的增大都呈现上升趋势。     

微结构梯度能表面振动液滴的运动特性

以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底,采用光刻技术制备微方柱结构的梯度能表面,采用高速摄影仪对微方柱结构梯度能表面振动液滴的动力学特性进行研究,分析微方柱结构梯度能表面的几何参数对振动液滴运动特征的影响.研究发现:当对微方柱结构梯度能表面施加一定频率的振动,且振幅达到一定阈值后,液滴会产生蠕动,且随着振幅的增加,从面积分...     

滴状冷凝的最小静接触角

通过比较同体积的球形液滴与球冠形液滴的化学势,证明了滴状冷凝的最小静接触角θ=70.67°,该值可以作为小接触角下实现滴状冷凝的下限.当θ≈106°时,两种液滴的化学势之差具有最大值,理论上可以认为它是滴状冷凝的最佳静接触角.     

液滴图片数字化引起的超疏表面接触角测量误差模拟研究

液滴在表面上的接触角是衡量表面润湿性能的一个重要指标,近年来在超疏水表面研究领域得到广泛应用。目前接触角测试主要采用座滴法在获取液滴数字图片的基础上对液滴轮廓进行直接测量或拟合得到;数字图片的离散性决定了接触角测试结果具有一定误差这一误差在液滴偏离球冠形状的情况下(例如:超疏水/油表面接触角测量)会变得较为严重。拟采用数值模拟分析方法研究由液滴数字图片决定的超疏水/油表面接触角测量误差随液滴参数和表面性能的变化规律。通过模拟发现,接触角测量误差随着接触角的增大而增大;采用大体积液滴进行测量会带来较大的接触角误差;而密度大或表面张力小的液体带来的误差较太。为实现接触角误差的控制,在采用小体积液滴的同时,可以通过悬滴法进行测试,此时误差可控制在仪器误差限范围之内。     

接触面温度对表面液滴蒸发过程的影响

详细研究了不同接触面温度对液滴蒸发过程的影响.通过分析液滴中间平面的粒子图像,首先阐述了接触面温度对液滴内漩涡流动的影响,并指出液滴周围水汽的凝结过程对液滴底部成像的影响.然后计算了不同接触面温度条件下液滴的量纲一体积与接触角随时间的变化曲线.结果表明,随着接触面温度的降低,液滴的量纲一体积和接触角减少的速度都变慢,在接触面温度较低的时候(例如5°C),液滴的量纲一体积和接触角都因空气中水汽凝结过程的影响而增大.     

超声对软物质液滴作用的动力学研究

用空化泡运动的研究方法推导出超声作用下软物质液滴在与之不相混溶液体中半径变化的运动方程,通过数值模拟探讨了超声频率、声压幅值、初始半径和界面张力系数对液滴半径变化的影响。结果发现:频率越低、声压幅值越大,液滴运动越剧烈;声压幅值小于静压时液滴只在初始半径附近做微小的稳定振动;液滴初始半径越小,液滴运动越剧烈,但初始半径大小不影响液滴最终所能达到的大小;界面张力系数的大小对超声场中液滴半径变化影响不大。     

线张力对接触角影响的理论分析

通过引入“线张力”的概念，分别用力学和热力学的方法导出固体表面上液滴平衡时接触角应满足的条件，即对Young方程进行修正．并得到了液滴系统自由能随接触角变化的曲线，从理论上说明在理想固体表面上线张力可以造成液滴接触角的多值现象．结果表明，由液滴形变作用引起的线张力变化是影响接触角测量准确性的一个重要因素．对于深入认识线张力在液滴运动以及滴状冷凝传热过程中的作用有积极意义．     

非均质表面诱导液滴脱落的数值模拟

采用伪势格子玻尔兹曼方法 (LBM)多相流模型对均质表面上液滴脱落临界直径与壁面润湿性的关系以及非均质表面上液滴聚合脱落现象进行了研究,分析了液滴尺寸、壁面润湿性的差异、液滴半径比对非均质表面液滴聚合脱落的影响。结果表明:非均质表面在一定程度上可以诱导相应尺寸大小的液滴聚合并脱落,可通过增大中间区域的接触角来扩大非均质表面诱导聚合脱落液滴的尺寸范围;非均质表面接触角差值越大,液滴聚合速度越快,同时液滴在壁面上的铺展能力越强,液滴纵向振荡幅度越小;在一定范围内,液滴半径比越大,两液滴的内部压力差越大,融合速度越快,液滴可获得额外的动能并从壁面上脱落。     

乙醇/水两组分液滴在超疏水表面上的蒸发动力学研究

在不同湿度下研究了不同浓度乙醇/水混合物的液滴在超疏水表面上的蒸发过程,通过实验分析了液滴的接触半径、接触角和蒸发速率随时间的演化规律并与现有理论模型进行对比,探索乙醇浓度和环境湿度对超疏水表面上两组分液滴蒸发动力学行为的影响。研究结果表明:乙醇浓度影响液滴在超疏水表面上的蒸发模式和蒸发速率,低乙醇浓度(≤20wt%)时液滴蒸发速率较慢并趋向于常接触角(CCA)模式,高乙醇浓度(40wt%～60wt%)时液滴蒸发速率更快并趋向于常接触半径(CCR)模式;环境湿度主要影响液滴的蒸发速率但对蒸发模式的作用小,湿度越高蒸发速率越慢。     

基于螺线拟合的高精度接触角测量方法

液滴在表面上的接触角是表征材料表面性能的重要参数,在流体力学、表面化学、医学等学科中具有重要应用。高精度的接触角测量与三相接触点的准确定位和拟合曲线的吻合程度密不可分,因此提出一种新的接触角测量方法。首先,基于Harris角点检测算法实现液滴三相接触点的自动检测,通过角点间的距离进行筛选,在筛选出角点的基础上进行亚像素角点检测,得到精确的三相接触点的位置。其次,针对多项式曲线拟合疏水和超疏水液滴轮廓不准确的问题,使用对数螺线和阿基米德螺线对液滴轮廓进行拟合,并求出拟合曲线在三相接触点处的切线,得到准确的接触角测量值。最后,对多幅液滴图片进行测量验证,结果表明本方法不仅适用于测量静态接触角,还适用于测量动态接触角,且接触角自动测量结果与电子量角器测量结果基本一致。     

原子力显微镜研究聚四氟乙烯纳米粒子对瑞氏木霉疏水蛋白HFBII的吸附

利用离子束溅射镀膜技术将聚四氟乙烯(Teflon)纳米粒子沉积到石英基板,将基板置于50 μg/mL的瑞氏木霉疏水蛋白HFBII溶液中浸泡,通过原子力显微镜直接观察和水接触角测试仪测试基板表面水接触角的变化,研究了HFBII在Teflon纳米粒子表面的吸附行为.结果表明Teflon纳米粒子能够对HFBII产生吸附且对其生长有很强的异相成核作用,同时用超声波方法对Teflon纳米粒子上的HFBII进行脱附,并通过原子力显微镜图像进行了分析.