检索结果-南通市图书馆

作者：李全英广西师范大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：晶格Boltzmann方法液滴滑动异构表面液滴表面能非平衡杨氏力

化学势晶格Boltzmann模型的应用研究

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化学势晶格Boltzmann模型的应用研究

作者：周思浩广西师范大学

学位级别：硕士

多相流与我们的生活息息相关,在能源开发、生命科学、生产生活等方面都有着广泛的应用,研究多相流现象不仅能够有助于人类了解自然现象,掌握其运动规律并且能够创造经济效益,具有重要的科学意义和工程应用价值。近年来发展起来的基于介... 详细信息

多相流与我们的生活息息相关,在能源开发、生命科学、生产生活等方面都有着广泛的应用,研究多相流现象不仅能够有助于人类了解自然现象,掌握其运动规律并且能够创造经济效益,具有重要的科学意义和工程应用价值。近年来发展起来的基于介观层面的晶格Boltzmann方法(LBM)成为模拟多相流系统的有效工具,受到越来越多的关注。二次流的应用十分广泛,不仅可用于食品加工、生物技术等日常生活,同时在搅拌混合、反应堆建模等工业方面也有着重要的作用,因此研究二次流具有深刻的现实意义。本文利用基于化学势的多相流LBM方法,建立D3Q19格子模型,模拟研究具有自由界面的旋转流体流动现象,关注表面润湿性和搅拌力对主涡旋和二次涡流的影响。通过设置不同的表面润湿性,模拟了流体在圆柱体中的流动。发现当接触角不断增大,主涡旋的液面形状会由陡峭的山谷状逐渐变为具有两个凸起部分的鞍形。相应地,二次涡流的涡心位置逐渐移动到圆柱体的中心线,并伴随着涡流强度的增加。对于二次流,搅拌力比表面润湿性具有更强的影响。值得关注的是,当表面具有适度润湿性时,由于二次流与界面的相互作用,在三相接触线附近会发生一个小的二次涡流,这在前人的研究中从未报道过。理解和控制液滴在非均质表面上的运动行为在微流体、自清洁、水收集等研究领域有重要的意义。本文基于化学势LBM方法研究了液滴在化学异构表面上的接触线解钉运动。通过控制液滴与基板的接触面,我们设置了三种初始状态的液滴:平衡态、收缩态和拉伸态;模拟结果显示在不同初始状态下,液滴具有不同的解钉过程。当处于平衡状态时,液滴前后接触角随着基板倾斜角的增加而线性变化,并且前后接触线几乎同时发生移动;单侧解钉发生在收缩状态的前接触线和延展状态的后接触线处,同时伴随着接触角的突然振荡。在此之后,由于三种初始态的液滴具有相同体积,液滴将会自然返回到相似的临界滑动状态。液滴的动态平衡反映了重力和毛细力之间的相互“竞争”。可以清楚地观察到,液滴的单侧解钉是由缓慢移动的粘着过程和快速滑动过程组成。通过模拟不同宽度的条带宽度,发现条带宽度与液滴发生滚动时间呈线性正相关,与前人的实验结果相吻合。在微观尺度上,通过对实时接触角进行测量,发现接触线区域内的局部力平衡是由不平衡杨氏力和粘着过程的液固摩擦力相互作用的结果,而不平衡的杨氏力为滑动阶段接触线的运动提供驱动力。综上所述,本文基于化学势多相流LBM模型,研究了壁面润湿性对三维旋转流体二次流的影响和液滴在化学异构表面上的接触线解钉运动,增进了对二次流和接触线运动的深入理解,也证实了化学势模型研究多相流的有效性。

关键词：多相流晶格Boltzmann方法二次流异构表面液滴解钉

基于晶格Boltzmann方法的液滴弹跳数值仿真研究

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基于晶格Boltzmann方法的液滴弹跳数值仿真研究

作者：季婷婷广西师范大学

学位级别：硕士

多相流现象对我们的生活生产具有重要的借鉴和指导意义,在能源的开发与储备、生命科学的研究与探索、材料的制备与应用等方面有着广阔的发展前景。其中多相流中液滴弹跳现象与我们的生活最为紧密,已经应用于我们的生活中,如打印、喷涂... 详细信息

多相流现象对我们的生活生产具有重要的借鉴和指导意义,在能源的开发与储备、生命科学的研究与探索、材料的制备与应用等方面有着广阔的发展前景。其中多相流中液滴弹跳现象与我们的生活最为紧密,已经应用于我们的生活中,如打印、喷涂、自清洁等。液滴弹跳现象的研究在国内外已经取得了丰硕的成果,但仍然还有许多未被研究和深入探索的领域,特别是对液滴弹跳现象定量分析的研究相当少,加之液滴微尺度、瞬息变化快、易于变形等诸多严苛条件,对于深入研究液滴弹跳现象带来了极大的挑战,这在一定程度上限制了人们对液滴弹跳现象的认识,阻碍了液滴弹跳现象在生活生产中的应用。近年来,基于晶格Boltzmann的数值模拟方法备受学者们青睐,该方法算法简单、易于编程、所需内存小、并行度高、易于处理复杂几何边界,及时跟踪相间动态变化,特别适合于研究微小液滴的动态变化过程。为此,本文采用基于晶格Boltzmann的数值模拟方法对液滴弹跳现象进行深入细致的研究。主要研究内容如下:（1）.建立一种基于化学势晶格Boltzmann方法的液滴弹跳机制模型。该模型利用化学势来计算非理想力,避免了计算压力张量和张量散度复杂的过程,大大提高了数值计算的效率。在该建模的基础上还引入大密度比模型,结合化学势润湿边界条件,提高了模型的灵活性、准确性,同时该模型还具有高效性及鲁棒性,对于精准模拟液滴弹跳现象提供更加稳健的模拟环境。（2）.使用本模型对液滴的弹跳高度、侧向弹跳距离、飞行时间、液滴内部动量模变化及反弹能力进行定量的研究。实验表明液滴的反弹行为取决于表面的疏水性和异质性程度。当液滴撞击均匀表面时,液滴垂直基板反弹至一定高度,且弹跳高度随着表面疏水性的增加而增加。当液滴撞击两种不同组分的异构表面时,液滴向疏水性较低的一侧横向反弹。通过大量的试验研究发现,液滴弹跳现象与表面化学异构程度有关,且液滴弹跳高度和飞行时间与表面接触角存在一定的定量关系。通过数值仿真研究加深了对液滴反弹机制的认识。（3）.对均质和化学异构表面上的液滴弹跳现象进行力学机制分析。研究了液滴左右动态接触角、接触线及非平衡杨氏力变化情况。通过一系列的数值仿真研究,揭示了化学异构表面液滴弹跳现象的原因。研究表明化学异构表面液滴侧向弹跳是由左右两边不对称的非平衡杨氏力造成的。综上所述,本文采用基于化学势的晶格Boltzmann方法,深入研究了液滴机理变化行为。该研究促进了对液滴撞击化学异质表面的回弹机制的理解,并为通过疏水和异质表面精确控制回弹液滴的侧向弹跳行为提供了指导策略。

关键词：晶格Boltzmann方法液滴弹跳异构表面接触角非平衡杨氏力

基于晶格Boltzmann方法的曲面接触角测量算法研究

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基于晶格Boltzmann方法的曲面接触角测量算法研究

作者：刘阳莎广西师范大学

学位级别：硕士

多相流是许多自然现象的基础,和人们的生活息息相关,在工业生产中有着广泛应用。深入研究多相流现象及其规律,不仅能帮助人们了解自然的奥秘,还能够改善人们的生活和提高生产力。近年来数值模拟已经成为研究多相流复杂相变和流动现象的... 详细信息

多相流是许多自然现象的基础,和人们的生活息息相关,在工业生产中有着广泛应用。深入研究多相流现象及其规律,不仅能帮助人们了解自然的奥秘,还能够改善人们的生活和提高生产力。近年来数值模拟已经成为研究多相流复杂相变和流动现象的重要工具。多相流晶格Boltzmann方法对时间、空间和速度做了充分的离散化,无需追踪界面,算法简单且具有天然的并行特性。伴随着高性能计算技术的蓬勃发展,晶格Boltzmann方法逐渐发展成为模拟多相复杂流体的最有效工具之一,广泛应用于多相流相关的研究领域。本文主要采用化学势多相流晶格Boltzmann方法,围绕表面润湿性测量以及三维液滴反弹行为展开研究。接触角是表面润湿性最主要的表征参数,体现了液滴在表面上的铺展能力或者铺展倾向。虽然接触角被广泛应用于润湿现象的研究中,但是在实验中测量接触角较为复杂且耗时。本文提出了一种基于几何方案的曲面接触角测量算法能够简单高效的测量接触角。我们首先详细验证了不同温度和不同状态方程下接触角测量算法的准确性,发现本算法测量的接触角结果与球帽法结果保持一致。然后测量了一系列不同大小的液滴在不同润湿表面上的接触角,结果表明本算法测量的接触角与液滴大小无关,验证了网格独立性。随后,仿真模拟了在重力作用下固着液滴和悬垂液滴的形变。通过测量一系列形变液滴的接触角证实了微观接触角不受重力作用影响。在探究静态液滴的基础上,使用接触角测量算法捕捉液滴在匀质或化学异构表面上的动态迟滞现象,并分析了移动接触线的力学变化。本文进一步将接触角测量算法应用到三维液滴弹跳行为的研究中。首先,通过为表面设置不同接触角,研究液滴撞击均匀表面的反弹过程。模拟结果表明,液滴的反弹高度和飞行时间随着固体表面疏水性的增强而显著增加。液滴在接触润湿表面后受到表面粘滞作用,液滴整体的动能大大减少,反弹高度呈现明显的衰减。然后,模拟研究了三维液滴撞击螺旋异构表面的反弹和旋转行为,发现液滴在撞击不同螺旋异构表面时扩散行为保持一致,而液滴在收缩过程中由于受到螺旋亲水区域和疏水区域不对称的作用力从而导致接触线在收缩过程中产生持续性差异。随后为了进一步研究螺旋模式对撞击行为的影响,从螺旋条数和螺旋半径两个方面设计了两组仿真实验。结果显示,不同螺旋条数和螺旋半径的固体表面会导致液滴的旋转动能出现差异。本文提出的曲面接触角测量算法具有简单、准确和高效的特点,适合用于研究曲面基底上的润湿现象,能够提高多相流的模拟精度,并获得更加准确的力学分析结果,促进了晶格Boltzmann方法在多相流研究领域的应用。

关键词：接触角测量算法接触角迟滞异构表面晶格Boltzmann方法多相流