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基于晶格Boltzmann方法研究接触角的测量和迟滞

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基于晶格Boltzmann方法研究接触角的测量和迟滞

作者：陈慧广西师范大学

学位级别：硕士

在计算流体力学中,起源于格子气自动机和分子动理论的晶格Boltzmann方法,发展成为一种可靠的新途径,其高效性、准确性和鲁棒性也被普遍证实。它不再依赖于宏观连续介质的Navier-Stokes方程,而从微观模型出发模拟复杂流体的宏观行为,在... 详细信息

在计算流体力学中,起源于格子气自动机和分子动理论的晶格Boltzmann方法,发展成为一种可靠的新途径,其高效性、准确性和鲁棒性也被普遍证实。它不再依赖于宏观连续介质的Navier-Stokes方程,而从微观模型出发模拟复杂流体的宏观行为,在研究颗粒流、热流动、微流体等复杂流体运动中得到成功的应用。特别是在多相流研究中,由于晶格Boltzmann方法不需要边界积分,避免了传统计算流体力学方法在跟踪大量分散相界面时遇到的困难。基于热力学原理,课题组提出了具有热力学一致性和伽利略不变性的多相流模型,为研究表面润湿现象打下了基础。表面润湿是一种常见的自然现象;作为体现表面润湿性的特征量,接触角是气体、液体和固体表面三相相互作用的结果,也是研究和应用中常用的物理量。虽然晶格Boltzmann方法模拟研究表面润湿已经取得了很大成功,但是还没有一种可靠的算法计算动态的接触角;即使是静态接触角也只能采用理想的球冠模型计算或使用外部工具测量。首先采用化学势边界条件,将液滴直接落在基板上,不再需要过渡区,接触角可以直接从三项接触点开始测量。然后通过分析接触角的微观形态,使用气液界面和第二排格线的交点确定切线,提出了在模拟过程中实时地计算动态接触角的方法。在忽略重力的条件下,对该方法计算的接触角和理论计算结果做了系统的比较。在温度为0.7和0.8时,在30至160度范围内符合的非常好,说明该方法的计算结果是准确的。在相同的固体界面上,液滴半径从20至200个格子,计算所得的接触角保持不变,说明该方法的计算结果是稳定的。在包含重力的情况下,计算了大小从0.1cm到0.5cm的不同的平面上液滴和悬垂液滴。结果显示,随着尺寸的变大,液滴的形变程度越来越大,但是当前方法计算得到的液滴接触角保持不变。这与理论预期是一致的,也真实地反映了接触角的微观本质。进一步将液滴放置在亲疏水交替排布的固体表面,在表面倾斜程度不太大的时候,液滴在重力的作用下会发生倾斜,从而产生接触角迟滞现象。使用三种不同亲疏水配置的表面计算接触角迟滞,结果显示,尽管疏水的模式表面比亲水表面具有更大的接触角,而且液滴更不容易失稳滑动,但是接触角迟滞随着表面的倾斜增大的趋势却是基本一致的。当失稳滑动以后,液滴会连续的滑过亲疏水条带,前进角会逐渐增加然后突然下降,后退角会逐渐减小然后突然增加,二者的变化一般不同步,导致接触角迟滞呈现动态的波动状态。接触角迟滞的动态波形与前进和后退角的相位有关,而且包含了由于液滴的抖动说产生的高阶波动。这些关于接触角和迟滞的研究促进了深入理解并实际应用润湿现象。颗粒在管道流中的跨流层侧向迁移是奇妙的自然现象,近几年已发展成为微流控领域的一个研究热点。利用多弛豫晶格Boltzmann方法,我们研究了椭圆颗粒的惯性聚集现象。与经典的Segre-Silberberg效应类似,椭圆颗粒也表现出侧向迁移和平衡。但是因为其非圆几何形状,椭圆颗粒的运动中还包括着非匀速扭转和周期性振动。我们分别研究了雷诺数、阻塞比和纵横比对椭圆运动轨迹的影响,发现在雷诺数改变对椭圆平衡位置的影响很小,雷诺数从3变到300时,平衡位置的变化率只有3%;阻塞比越大的颗粒,其平衡位置越接近靠近管道的中心线,并且颗粒对流场的影响越强烈;随着纵横比的增加,椭圆颗粒的旋转周期变短,而且平衡位置呈现马鞍形变化,在纵横比接近0.5时达到最低点。这项工作对于研究具有卵形或椭圆形红细胞的鸟类的血液流有积极的促进作用。

关键词：晶格Boltzmann方法接触角测量接触角迟滞颗粒悬浮惯性迁移

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加热表面上受接触角迟滞影响的液滴动态特性

加热表面上受接触角迟滞影响的液滴动态特性

作者：程冉华北电力大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：接触角迟滞接触线蒸发润湿梯度表面数值模拟

晶体不同晶面的润湿性差异-粗糙表面接触角迟滞的一种解释

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晶体不同晶面的润湿性差异-粗糙表面接触角迟滞的一种解释

基于晶格Boltzmann方法的曲面接触角测量算法研究

中国化学会第十七届全国胶体与界面化学学术会议

作者：邓亚骏吴倩红黄鑫卢海龙北京大学工学院北京天然气水合物国际研究中心北京大学物理学院

沿着不同方向切割一块晶体,显露出来的表面可能是晶体的不同晶面,因此其表面原子排布可能是不同的,这也可能进一步导致其表面润湿性的差异。本文以蓝宝石晶体的、和三种晶面为研究对象,测量了水、甘油、磷酸（85 wt%）三种液体在不同晶... 详细信息

沿着不同方向切割一块晶体,显露出来的表面可能是晶体的不同晶面,因此其表面原子排布可能是不同的,这也可能进一步导致其表面润湿性的差异。本文以蓝宝石晶体的、和三种晶面为研究对象,测量了水、甘油、磷酸（85 wt%）三种液体在不同晶面上的接触角。结果表明,液体在晶体不同晶面的接触角存在一定差异,且都符合＞＞的规律。晶面影响润湿性可以从以下两方面来理解,分别如图1（a）和（b）所示。首先,如果晶体表面都是光滑的,原子排布的差异会使不同晶面上的液滴接触角不同。其次,对于一个粗糙的晶体表面,微小的粗糙元会带来多种不同的晶面,这将会使液体与晶体表面的相互作用变得更加复杂。如图1（b）所示,微小粗糙元本身会给接触线的移动带来势垒,造成接触角迟滞。同时,不同粗糙元处可能是晶体的不同晶面,晶面间润湿性的差异可能会进一步加大接触角迟滞的程度。

关键词：晶体不同晶面润湿性接触角迟滞

来源： cnki会议评论

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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

基于晶格Boltzmann方法的接触角实时测量研究

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广西师范大学学报（自然科学版） 2018年第1期36卷 34-43页

作者：黄兵方闻炳海邱文赵琬玲陈燕雁广西师范大学计算机科学与信息工程学院广西桂林541004

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... 详细信息

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。

关键词：接触角接触角迟滞数值计算化学势晶格Boltzmann方法

基于化学势晶格Boltzmann方法的模型研究及应用

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基于化学势晶格Boltzmann方法的模型研究及应用

作者：邱文广西师范大学

学位级别：硕士

多相流普遍存在于许多自然现象和工程应用之中,研究多相流体的运动机制,对理解自然界规律、改进生产工艺和促进学科发展具有十分重要的意义。晶格Boltzmann方法已经发展成为模拟研究多相流系统的有效工具,其高效性、准确性和鲁棒性也被... 详细信息

多相流普遍存在于许多自然现象和工程应用之中,研究多相流体的运动机制,对理解自然界规律、改进生产工艺和促进学科发展具有十分重要的意义。晶格Boltzmann方法已经发展成为模拟研究多相流系统的有效工具,其高效性、准确性和鲁棒性也被普遍证实,并成功地应用于许多与表面润湿科学和工程相关领域。本文基于化学势边界条件,利用几何的方法来实时地计算接触角。首先通过线性插值的方法确定三相接触点和最近的液滴气液界面与水平网格线的交点位置,然后采用反三角函数计算得到接触角。基于这个介观的方法,研究了化学异构表面上液滴形变中的接触角变化。通过设置不同的化学势改变固体表面的亲疏水性质,模拟计算落在固体表面之上的液滴和悬挂在固体表面下方的液滴。在忽略重力作用下,模拟得到的接触角与球冠法的理论预期一致,接触角可以通过表面化学势线性调节,并且验证了液滴质量的大小与接触角无关。在考虑重力作用下,虽然不同大小的液滴发生了明显的不同程度的形变,但是模拟计算所得的接触角保持不变,验证了微观接触角与重力无关的理论分析。应用化学势多相流模型,研究了液滴在化学异构的倾斜表面上的运动和接触角迟滞现象。当基板表面的亲疏水条带的化学势一定时,稳态的液滴在不同条带宽度上的接触角和接触长度呈现对称关系,而且在不同条带宽度上的准静态接触角迟滞是基本相同的。当液滴失稳并发生滚动时,会呈现出周期性的粘附滑移运动,并由此产生动态的接触角迟滞现象。模拟计算了不同化学势的异构表面和不同条带宽度对液滴周期运动的影响。由于液滴跨过长的条带需要更多的时间,导致液滴的运动周期随条带宽度的增加而逐渐加大。而在条带宽度相同的情况下,接触角的差值越大,异构的表面就越亲水则液滴的运动周期越长。这些模拟结果也进一步证实化学势多相流模型和介观的接触角测量方法是有效的。基于化学势多相流模型,通过对晶格Boltzmann方法中矩空间和计算网格空间中的特征量作了一个比例系数的放松,并引入高阶差分来精确计算特征量的导数和梯度,提出一个具有超大密度比的化学势多相流模型。模拟计算了不同状态方程的两相共存密度,与Maxwell等面积构造的理论结果进行了比较,证实了模型在极低温度下都满足热力学一致性。数值模拟的结果与理论值准确符合,而且各个状态方程液相与气相达到了超高的密度比:VDW超过10,PR超过10,RKS和CS超过10。模拟计算了不同状态方程的表面张力,验证模型满足了Laplace定律。通过模拟计算状态方程在同一温度下不同比例系数的表面张力和界面宽度,证实矩空间与计算网格之间的转换是稳定和准确的。模拟计算了简单的液滴飞溅现象,并以此现象验证了模型满足伽利略不变性。

关键词：晶格Boltzmann方法接触角表面润湿接触角迟滞超大密度比

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介电润湿与电热流动的实验和数值模拟研究

介电润湿与电热流动的实验和数值模拟研究

作者：白锋上海交通大学

学位级别：硕士

微流控芯片将取样、混合、分离、稀释、反应等复杂的操作集成到方寸大小的芯片上，与传统的分析实验室相比具有自动、快捷以及样品消耗低等优点，将会带来生化分析与医学诊断等科学技术的革命性变革。微流控芯片按照流动方式可分为微通... 详细信息

微流控芯片将取样、混合、分离、稀释、反应等复杂的操作集成到方寸大小的芯片上，与传统的分析实验室相比具有自动、快捷以及样品消耗低等优点，将会带来生化分析与医学诊断等科学技术的革命性变革。微流控芯片按照流动方式可分为微通道内连续流体流动和离散微液滴的数字化运动两种。连续流体流动是以微泵、微阀等元件对微通道内的流体流动进行调控，而微液滴数字化运动则是对离散的微液滴施加驱动力对其运动进行操控。流体的驱动是实现芯片功能的前提条件，目前以电场力为驱动源，以电水动力学为理论依据的微流控芯片占据着主要地位。微流控芯片中的电场驱动可以分为直流电场驱动方式和交流电场驱动方式，其所涉及的电水力学现象主要包括近壁面流体的电渗流动，由于电场导致溶液中产生焦耳热而出现的电热流效应，以及数字化微流控芯片中普遍采用的介电润湿现象。本文以电水动力学理论为基础，采用实验观测和数值仿真的研究方法，对连续流体和数字化流体的微流控芯片中的几个重要基础问题进行了研究，主要内容和结果包括以下方面：1.基于开放式介电润湿的液滴操控与振荡的实验研究。根据介电润湿的基本原理，试制了分列式电极介电润湿芯片，并在其上进行了液滴的驱动传输、合并和振荡的实验研究，重点考察了液滴运动过程中的动态接触角和接触线的运动状况，明确了其在液滴的驱动和振荡过程中所起到的关键作用，另外还发现了一种非对称振荡现象。2.电场-温度场-流场全耦合的电热流模型的建立及其在电热流微泵模拟中的应用。针对现有的交流电场下电热流动模型的不足，提出了一种全耦合的模型，通过对电热流微泵的数值模拟，将全耦合模型和传统模型进行了对比，不但验证了新模型的正确性和更强的模拟能力，还发现了提高电热流微泵流速的方法。3.平面-针电极结构液滴介电润湿中液滴内部电热流动的数值模拟研究。前人研究发现在高频下交流电润湿液滴形态基本无振荡，但内部存在电热流流动导致的涡旋运动。尽管经典的电热流模型，能够得合理解释这种现象，然而在温升、流速和出现最大流速的顶点频率等具体参数上，实验和数值模拟结果并不相符。本文根据全耦合电热流模型对液滴内部流动重新进行了分析并与原有模型及实验结果进行对比，进一步证明了全耦合模型的准确性。另外论文还对电极位置和大小等影响电热流动的参数进行了深入的分析。论文的研究成果不仅对于微流控芯片技术中电润湿动力学和电热流动的机理的探索具有重要意义，部分研究结果对于微流控芯片的实际应用也很有指导意义。

关键词：微流控芯片电驱动介电润湿分列式动态接触角接触角迟滞焦耳热效应完全耦合模型电热流动液滴内部流动频率影响变物性

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气体栓塞的机制讨论

河南师范大学学报（自然科学版） 2003年第1期31卷 116-117页

作者：孙丽华余孟兰赵文桐河南师范大学校医院河南新乡453002 河南师范大学物理和信息工程学院 453002

本文阐明血液中如有气泡则增加血液流动的阻力 (摩擦力 ) ,严重时形成栓塞 .而不是由接触角迟滞引起的 .论证了气泡流线型的形成 ;阻力不是由气泡两端的曲率不同 ,和阻力增大的原因 .

关键词：气体栓塞摩擦力接触角血液流动阻力接触角迟滞血管堵塞

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数值研究液滴撞击粗糙壁面

数值研究液滴撞击粗糙壁面