基于晶格Boltzmann方法的化学异构表面液滴滑动的仿真研究

作     者：李全英 

作者单位：广西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何冰

授予年度：2023年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：晶格Boltzmann方法 液滴滑动 异构表面 液滴表面能 非平衡杨氏力 

摘      要：液滴在表面上的滑动行为广泛存在于自然界和工程领域。随着仿生学的发展,人们通过观察自然界中液滴在各种生物和动物表面的滑动特性,将其逐渐应用到自清洁、淡水收集、打印、喷雾冷却及微流控等工业领域,对我们的生活产生了很大的影响。研究固体表面上的液滴滚动行为,是发展传统工业及推动创新前沿技术的重要基础理论,尤其理解真实表面中固体表面异构特性对液滴滑动的影响是精确控制和预测液滴在固体表面上运动的关键。国内外对液滴滑动现象已经有了丰富的研究成果,但由于液滴与固体表面的相互作用非常复杂使得液滴滑动行为复杂多变,尤其该过程涉及的动态的气液界面变化及微尺度的界面效应,传统的数值模拟方法在对微尺度液滴动力学研究仍面临着困难和挑战。晶格Boltzmann方法(LBM)是一种介于宏观和微观尺度之间的介观尺度的数值仿真方法,适用于对微小液滴的动态行为进行研究。由于其具备描述粒子运动的特性,在处理流体与固体作用时相对直观,能够直观地准确描述流体与固体之间的相互作用。因此,本文基于晶格Boltzmann方法建立了三维液滴在异构表面上滑动的运动模型,通过对其进行各种定量分析以揭示液滴在倾斜基板上的滑动规律。主要工作内容如下:(1)基于化学势晶格Boltzmann模型,考虑具有固体表面特性由亲水跳变到疏水而形成的化学异构阶梯的化学异构表面,在该倾斜表面上建立的液滴滑动模型。利用化学势计算非理想力以控制气液界面的自动演化,采用化学势润湿边界条件准确灵活地描述了流-固之间的相互作用,再现了前人研究报告的三种平衡状态,为准确模拟异构表面上的液滴滑动提供了有效地模拟环境。(2)研究和分析了化学异构阶梯的强度对倾斜表面上的滑动行为的影响。通过仿真,分析在不同强度的阶梯条件下,液滴的变形规律、液滴的速度及接触线运动变化特征。研究结果表明液滴通过化学异构阶梯所需的时间取决于阶梯的强度,该过程液滴会产生很大的形变。(3)设计后处理算法依据实时流场密度分布数据对液滴滑动过程中的受力、表面能及液滴内部动量分布进行定量分析。研究发现,当化学异构阶梯的强度较小,液滴可以快速滑过交界线时,不平衡杨氏力会阻碍接触线向前移动。而随着化学异构阶梯强度的增加,液滴在交界线上滑动的速度减慢,不平衡杨氏力成为液滴前端接触线前进的驱动力。在前端接触线穿过交界线之前,动能被转化为表面能。液滴越过交界线后,重力势能转化为表面能和动能。综上所述,本文利用化学势晶格Boltzmann方法对三维液滴的滑动行为进行深入研究。研究结果将推进对润湿现象的理解,为控制在表面上的液滴运动提供指导,并有助于启发功能性图案表面的设计,有望扩展晶格Boltzmann方法在三维流体运动领域的数值仿真中的更多应用。