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基于晶格Boltzmann方法的曲面接触角测量算法研究

基于晶格Boltzmann方法的曲面接触角测量算法研究

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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

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