加热表面上受接触角迟滞影响的液滴动态特性

作     者：程冉 

作者单位：华北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李春曦

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：接触角迟滞 接触线 蒸发 润湿梯度表面 数值模拟 

摘      要：固体表面上液滴的运动在自然界中普遍存在,而实际固体表面上不可避免地存在接触角迟滞现象,同时液滴运动还受温度敏感性、润湿梯度表面、基底放置方式等多种因素的影响,深入研究这些因素影响液滴运动的内在机理,有助于实现对液滴运动的调控,进而改进生产工艺,有利于生产生活,具有重要意义。因此,本文采用数值模拟的方法,对加热表面上受接触角迟滞影响的液滴的动态特性进行了深入研究,主要内容如下:针对液滴在均匀加热固体表面上的蒸发过程,基于润滑理论建立了液滴厚度的演化方程,引入接触角迟滞模型,对考虑接触角迟滞的液滴蒸发过程进行研究,分析了无接触角迟滞和迟滞角取不同值的情况下液滴蒸发时的特征参数变化,探讨了不同气-液界面张力温度敏感性对液滴蒸发特征的影响;并进行了相关的蒸发实验研究,与数值模拟结果进行对比。研究表明,接触角迟滞和气-液界面张力对温度的敏感性对液滴蒸发有重要影响,均可加快液滴蒸发进程。迟滞角的增大使接触线钉扎时间延长,铺展阶段和去钉扎阶段时长缩短,去钉扎阶段的接触角减小,液滴整体呈扁平状,气-液界面接触面积大,液滴蒸发加快;增加气-液界面张力对温度的敏感性使平衡接触角、前进接触角和后退接触角均减小,强化了液滴在壁面上的润湿效果,液滴传热得以加强,加快蒸发进行。水滴在加热玻璃片表面上蒸发的实验结果与模拟结果总体吻合良好,采用考虑接触角迟滞的理论模型可较准确地反映液滴运动过程。在以上研究基础上,数值模拟了液滴在具有润湿梯度的倾斜表面的迁移运动,探究了接触角迟滞、润湿梯度(润湿性差异)、壁面倾角对液滴迁移动态特性的影响。研究结果表明,液滴在润湿梯度表面上趋于向润湿性好,也就是更亲水的一侧迁移。随迟滞角增大,液滴的铺展能力降低,液滴向润湿性好的方向的迁移运动受到抑制;润湿梯度的增大,加快液滴向润湿性好的一侧的迁移速度;倾斜角的增加使液滴由向上“爬坡的运动演化为沿壁面下滑。这是因为随倾角增加,重力在壁面方向的分力逐渐增加,促使液滴克服润湿梯度的影响,逐渐向低润湿性的一侧迁移。