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基于SPH方法的液滴融合数值模拟研究

基于SPH方法的液滴融合数值模拟研究

作者：顾凯文厦门大学

学位级别：硕士

在自然界与工程领域,液滴融合是一种常见的流体现象,对液滴融合的过程及其背后机理的研究,不仅对流体动力学研究具有重要的学术意义,而且对相关工业生产具有实际指导意义。然而,液滴融合问题属于跨尺度问题,不仅涉及宏观尺度的压力与粘... 详细信息

在自然界与工程领域,液滴融合是一种常见的流体现象,对液滴融合的过程及其背后机理的研究,不仅对流体动力学研究具有重要的学术意义,而且对相关工业生产具有实际指导意义。然而,液滴融合问题属于跨尺度问题,不仅涉及宏观尺度的压力与粘性力,而且涉及微观尺度的自由面液体分子间的不平衡力,难以通过理论分析或试验观测得到较为准确的结果。此外,液滴融合涉及自由面流动问题、运动边界问题以及大变形问题,基于网格方法的有限元、有限差分和有限体积等数值模拟手段难以对其准确模拟。而无网格粒子法在处理自由面大变形与移动边界问题时,有着网格方法无法替代的优势,因此在液滴融合问题的处理上有较大潜力。本文采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,即利用一系列粒子来离散所研究的流体系统,这些粒子作为承载着流体物理信息的数值节点,相互之间没有基于网格的联系,并按照流体控制方程的规律进行运动。此外,本文在传统连续表面张力模型(CSF)的基础上,引入切向表面张力项,以减少自由面粒子间的法向差,从而确保自由面曲率过大的地方的表面张力方向正确,抹平因为张力不稳定而产生的尖角,维持自由面在表面张力作用下的光滑性。首先,本文在液滴形成的SPH模拟中,采用修正CSF模型计算表面张力。与传统CSF模型相比,液滴不仅收缩速度变快,液滴自由面的光滑性也得到改善。其次,模拟不同尺寸两液滴的融合,结果表明修正CSF模型能够有效处理自由面挤压形成的尖角,在促进液滴融合的同时,保证自由面充分光滑。最后,本文对三液滴的融合过程进行模拟,结果表明修正CSF模型在促进三液滴相互融合的同时,能将内部空隙的尖锐形状逐渐修正成圆形,并驱使液滴向内收缩以填补空隙,确保融合后的大液滴在表面张力作用下收缩成圆形。此外,为了更好地对比SPH方法与有限元方法在处理液滴融合问题上的差异,本文使用基于有限元方法的Surface Evolver软件,利用表面能梯度下降法计算极小曲面,研究液滴的融合过程,结果表明该方法无法处理自由面挤压形成的尖角,也无法促进液滴融合。通过对数值模拟的结果进行分析,切向力的引入能够促使流体从表面张力较大的区域向表面张力较小的区域运动,从而抹平曲率过大的区域,保证自由面充分光滑与液滴面积最小。此外,切向力的引入可以促进液滴融合过程中的物质交换,以及融合后液滴内部的物质流动,并在一定程度上减少液滴质心位置的偏移与动能的波动,使液滴较快达到稳定状态。

关键词：液滴融合切向表面张力 SPH方法 CSF表面张力模型数值模拟

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基于微流控技术的微液滴融合研究进展

分析化学 2015年第12期43卷 1942-1954页

作者：申峰李易刘赵淼曹刃拓王贵人北京工业大学机械工程与应用电子技术学院 Department of Mechanical Engineering & Biomedical Engineering Program University of South Carolina

随着芯片实验(Lab-on-a-chip)研究的不断发展,利用微流控技术(Microfluidics)对微通道中的液滴进行精准操控,引起了越来越多的研究者关注。本文介绍了微通道液滴基本理论及融合机理,通过改变微通道几何结构和表面特性等影响因素实现微... 详细信息

随着芯片实验(Lab-on-a-chip)研究的不断发展,利用微流控技术(Microfluidics)对微通道中的液滴进行精准操控,引起了越来越多的研究者关注。本文介绍了微通道液滴基本理论及融合机理,通过改变微通道几何结构和表面特性等影响因素实现微液滴融合的被动融合方式,通过施加外电场、磁场、温度场、表面声波和激光聚焦等作用实现微液滴融合的主动融合方式,以及液滴融合过程中的流体动力学特性。最后对微流控芯片液滴融合技术研究的发展前景进行了展望,为微流控器件设计、微液滴控制技术的广泛利用提供有价值的参考。

关键词：微流控技术液滴融合微通道芯片实验室评述

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液滴融合前的微小液滴行为研究

科学技术与工程 2016年第20期16卷 130-133,160页

作者：张莹夏珍张育嘉郭旭朝胡伟强刘志宏南昌大学机电工程学院南昌330031

通过微观可视化实验研究两个主液滴(水滴)在水平均质表面的融合,发现在液滴融合之前两个主液滴中间有规律地分布着大量微小液滴,这些微小液滴相互之间会吸附合并,且主液滴会吸附边界附近的微小液滴。分析微小液滴的产生条件和分布规律,... 详细信息

通过微观可视化实验研究两个主液滴(水滴)在水平均质表面的融合,发现在液滴融合之前两个主液滴中间有规律地分布着大量微小液滴,这些微小液滴相互之间会吸附合并,且主液滴会吸附边界附近的微小液滴。分析微小液滴的产生条件和分布规律,结果表明:微小液滴只在两个主液滴相互靠近的中间区域产生,两个主液滴之间的边界距离越大,微小液滴的尺寸越小,且微小液滴在中间区域的尺寸分布近似对数正太分布。因为有微小液滴的生成和合并以及主液滴对微小液滴的吸附合并,固体表面对主液滴界面移动的阻力减小,且主液滴界面会由于吸附边界附近的微小液滴而发生振荡,进而促进主液滴的边界阶梯式地移动。

关键词：液滴融合界面移动微小液滴尺寸分布

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液滴接触变形对融合过程影响的实验研究

实验流体力学 2017年第3期31卷 88-93页

作者：魏存驹李应杰王鲁海杨基明中国科学技术大学近代力学系合肥230027 中国水利水电科学研究院北京100038

采用一种产生大尺寸液滴和顶视视角观测的新方法,借助高速阴影系统,捕捉到液滴融合过程中液桥截面形态的变化。从光学观测的角度验证了以前电测法所得到的初期融合过程描述。利用顶视方法所特有的辨别液桥几何形状、中心位置等优势,观... 详细信息

采用一种产生大尺寸液滴和顶视视角观测的新方法,借助高速阴影系统,捕捉到液滴融合过程中液桥截面形态的变化。从光学观测的角度验证了以前电测法所得到的初期融合过程描述。利用顶视方法所特有的辨别液桥几何形状、中心位置等优势,观测了不同液滴靠近速度(v_a)下2种融合模式。根据液桥中心演变特征分别判定为中心融合和边缘融合模式,并发现两者之间存在一临界液滴靠近速度(vcross),当v_a融合过程始于接触中心,而当v_a>v_(cross)时,融合自液滴挤压形成的液膜边缘开始,与融合前液滴接触变形密切相关。

关键词：液滴融合液滴碰并液滴变形

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微通道内气-液-液三相流液滴融合动力学特性研究

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微通道内气-液-液三相流液滴融合动力学特性研究

作者：郝颜颜烟台大学

学位级别：硕士

在试剂定量添加和反应性能提高等方面,气-液-液三相微流体具有独特优势,但对三相体系液滴的融合机理、比两相体系更稳定的机制缺乏了解。本论文采用设计有三个T型接口的微流体设备,对气泡/液滴的形成过程动力学、液滴融合时间的规律进... 详细信息

在试剂定量添加和反应性能提高等方面,气-液-液三相微流体具有独特优势,但对三相体系液滴的融合机理、比两相体系更稳定的机制缺乏了解。本论文采用设计有三个T型接口的微流体设备,对气泡/液滴的形成过程动力学、液滴融合时间的规律进行了研究,主要结论如下:1.T1处气泡的生成过程可以分为两个阶段:生长和坍缩。在气泡生成的不同阶段,主导作用力也存在差异。流体粘度以及流量均对生成气泡的尺寸有一定影响,界面张力对尺寸规律的影响较小。气泡生成频率的稳定性将决定分散相液滴尺寸的分散性。2.T2处液滴的生成也可分为生长和坍缩两个阶段,液滴的脱落受到连续相剪切力和油-气界面挤压力的共同作用,低浓度表面活性剂对液滴尺寸的影响可以忽略。3.T3处液滴形成过程中通常伴随着两个分散相液滴的融合,并获得了不同实验条件下的液滴融合相图,研究发现液滴融合的前提条件是两个液滴之间的连续相能被快速排出,增加气相流量可加快液体排出速率;融合之后的液滴尺寸较均匀,变异系数小于1%,初步验证了系统的稳定性。4.对比两相及三相体系的液滴融合过程,发现三相微流体体系更易形成液滴流或段塞流,且流量操作范围较宽、融合液滴尺寸更均匀,这主要由于气相具有一定可压缩性,可有效减小外界对体系的干扰,使较大流量下的新添加试剂液滴仍可实现融合。

关键词：气-液-液多相液滴融合微流体微通道

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基于微流控技术的液滴融合芯片设计与应用

基于微流控技术的液滴融合芯片设计与应用

作者：苏振东南大学

学位级别：硕士

微流控芯片又称为芯片实验室,其把化学和生物学等领域中所涉及的样品制备、分离、反应、检测及细胞培养、分选等基本操作单元集成到一块微小的芯片上。近年来随着软光刻加工工艺的成熟,聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）微... 详细信息

微流控芯片又称为芯片实验室,其把化学和生物学等领域中所涉及的样品制备、分离、反应、检测及细胞培养、分选等基本操作单元集成到一块微小的芯片上。近年来随着软光刻加工工艺的成熟,聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）微流控芯片得到了快速发展。液滴是微流控芯片上操控样本的基本体积单元,液滴中的反应可用于许多应用,包括颗粒的形成,化学合成,动力学研究以及生物分子合成等。液滴融合是控制微流体装置中液滴及其作为微反应器的基本操作步骤,液滴的受控聚合是在液滴内进行反应的重要手段,因为它允许在空间和时间明确定义的点处精确混合试剂,融合样品。本课题致力于搭建实验室微流控芯片实验平台,设计和加工PDMS液滴融合芯片,实现液滴的可控融合。主要研究内容如下:1.搭建微流控芯片实验平台本课题使用实验室自主设计的气压泵作为进样驱动系统,控制气压泵输出气压实现对连续相、离散相流速的精确控制。使用CAD绘图软件设计液滴融合芯片图纸,采用软光刻工艺制作PDMS液滴融合芯片,在搭建好的微流控芯片实验平台上,生成并控制液滴的融合。使用软件编程分析大量的液滴融合图片,查看融合效果,并对融合结构进行连续改善,最终得出稳定的液滴融合芯片结构。2.液滴融合芯片设计与制作采用模块化思想,本课题所设计液滴融合芯片,包含液滴生成模块、液滴交汇结构、液滴融合结构、收集结构。2个液滴生成模块:通过控制连续相、离散相的流速来实现对生成液滴大小、间隔等参数的精确控制。液滴交汇模块:通过流道尺寸、液滴间隔控制液滴的比例汇合。液滴融合结构:通过设计特殊的流道结构,控制液滴减速、碰撞、产生融合。收集结构:收集和分析液滴融合信息。本课题首先对液滴生成中关键参数进行了实验,对连续相、离散相汇合角度、流道宽度、液体流速等相关影响参数展开详细研究,得出生成液滴大小、间隔、速率的控制条件。在液滴生成技术的基础上,本课题进一步研究了液滴融合相关技术,首先控制两个液滴的比例汇合,然后在融合结构处实现了液滴的可控比例融合。采集液滴融合的图片信息,利用Image J软件对液滴融合图片进行分析处理,得出融合成功率,实现样品的可控高效率融合。

关键词：液滴融合微流控微液滴气压泵液滴生成

液滴融合诱发的浸润状态转换与粗糙表面自清洁机制研究

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液滴融合诱发的浸润状态转换与粗糙表面自清洁机制研究

基于相场法的格子Boltzmann模型模拟非牛顿流体液滴撞击壁面及融合

第十届全国流体力学学术会议

作者：张凯旋李振 Martin Maxey 陈硕 George karniadakis 同济大学航空航天与力学学院布朗大学应用数学系

润湿性是固体表面涉及多相流体的一个重要性质,它通常用液体在固体表面的接触角来表征。对水而言,一般将接触角大于150度的表面称为超疏水表面,其中固体表面的微纳米级粗糙结构对超疏水表面的形成起着至关重要的作用。由此产生的具有自... 详细信息

润湿性是固体表面涉及多相流体的一个重要性质,它通常用液体在固体表面的接触角来表征。对水而言,一般将接触角大于150度的表面称为超疏水表面,其中固体表面的微纳米级粗糙结构对超疏水表面的形成起着至关重要的作用。由此产生的具有自清洁功能的表面也是表面科学领域研究的重点之一。为了加深理解粗糙表面产生自清洁功能的微观物理机理,我们用一种介观粒子模型--多体耗散粒子动力学,建立了液滴在具有微结构粗糙表面上浸润的模拟系统,研究了多个液滴在表面张力作用下自发融合的动力学过程,发现了一种通过浸润状态转变而产生自清洁功能的物理机制。一个液滴在粗糙表面上可能处于低粘附性的Cassie状态,也可能处于高粘附性的Wenzel状态。一般来说,一个液滴处于Wenzel状态比其对应的Cassie状态具有更低的表面能。因此,处于Wenzel状态的液滴会粘附于固体表面,其需要额外的能量输入才能转变为低粘附的Cassie状态。我们模拟的结果显示,当两个或多个液滴在表面张力作用下发生融合,该动力学过程释放出的表面能足以驱动液滴发生Wenzel到Cassie状态的转变,从而从高粘附状态转变为低粘附状态,从而达到自清洁的功能。当两个处于Cassie状态的液滴发生融合,其释放的表面能够使融合后的液滴发生跳跃并脱离壁面。这些结果表明在表面张力作用下的液滴自发融合会释放可观的表面能,从而诱发液滴从高粘附态转变为低粘附态,这可能是粗糙超疏水表面形成自清洁功能的微观机制之一。

关键词：液滴融合浸润状态转换自清洁作用多体耗散粒子动力学

来源： cnki会议评论

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基于相场法的格子Boltzmann模型模拟非牛顿流体液滴撞击壁面及融合

作者：周平重庆大学

学位级别：硕士

流体液滴撞击壁面和液滴融合在生产实践中应用广泛,例如喷墨打印、农药喷洒、表面喷涂和喷雾冷却等。液滴的撞击及其融合过程受到许多因素的作用,如撞击速度、液滴物性以及壁面湿润性等等。其中,液滴撞击和融合过程会由于非牛顿流体和... 详细信息

流体液滴撞击壁面和液滴融合在生产实践中应用广泛,例如喷墨打印、农药喷洒、表面喷涂和喷雾冷却等。液滴的撞击及其融合过程受到许多因素的作用,如撞击速度、液滴物性以及壁面湿润性等等。其中,液滴撞击和融合过程会由于非牛顿流体和牛顿流体的本构关系不同而存在显著差异。近十几年,非牛顿流体被广泛应用在工业生产中,并在控制液滴沉积的领域中发挥着重要的作用,例如在印刷电路板、芯片、传感器等生产中,为了获得高质量的产品,需要精细控制液滴在壁面上的行为并避免液滴发生溅射和反弹,为此,人们常利用流体的非牛顿特性来实现对液滴沉积的控制。因此,研究非牛顿液滴的撞击以及融合过程对于解决工程问题有深刻的指导意义。然而,目前关于非牛顿液滴撞击和融合的实验研究存在一定局限性,并且在不同的壁面湿润性、撞击速度以及表面张力等条件下,对非牛顿液滴撞击壁面以及融合过程的数值研究仍有大量不足。因此,需要进一步探究不同条件下非牛顿流体液滴撞击和融合等物理过程。格子Boltzmann方法是从介观粒子动力学发展而来用于描述流体运动的数值方法之一。基于介观描述的格子Boltzmann方法已被广泛应用到描述两相流以及非牛顿流体流动的模拟中,并且与其他方法相比,格子Boltzmann方法具有易于编程、天然并行性的特点。因此,本文采用格子Boltzmann方法数值模拟非牛顿流体液滴撞击以及融合等过程。本论文基于相场法的两相流理论描述,发展了格子Boltzmann方法与有限差分的混合数值方法,实现了对非牛顿流体、牛顿流体的两相流模拟。不可压缩流体流动采用不可压缩多松弛格子Boltzmann方法模拟,界面的动态变形则用对流Cahn-Hilliard方程描述,并采用有限差分法求解。本文基于上述耦合模型数值模拟了非牛顿流体液滴在壁面的撞击过程以及两个同种液滴在壁面上初期融合过程。论文的主要工作以及结论如下:(1)简要介绍了格子Boltzmann方法,推导了格子Boltzmann-BGK模型(LBGK模型)恢复至宏观方程的过程,并建立了不可压缩多松弛格子Boltzmann模型。(2)发展了求解非牛顿流体的不可压缩格子Boltzmann模型,并基于相场方程发展了关于牛顿流体、非牛顿流体的两相流格子Boltzmann模型,计算了非牛顿流体的方腔流流动以及静置非牛顿液滴Laplace定律。(3)在固壁边界处引进考虑静态接触角影响的湿润边界条件,实现了格子Boltzmann耦合模型对不同湿润性壁面上的液滴接触问题的描述,采用该模型模拟了液滴在壁面上的静态接触过程和动态接触过程。(4)在液滴撞击过程中,幂律指数n越小越有利于液滴沉积,幂律指数n越大液滴越容易发生溅射。幂律流体液滴达到稳定状态后的铺展长度只与壁面湿润性有关。此外,随着韦伯数We的增大,假塑性液滴撞击壁面后能更快地达到稳定,而膨胀性液滴则更容易发生溅射。当静态接触角较大,即壁面高度疏水时,膨胀性液滴撞击壁面后在回缩过程中会发生完全反弹。(5)对液滴初期融合过程的研究发现,膨胀性流体液滴融合的速度最快,其次是牛顿流体,假塑性流体融合最慢。此外,当静态接触角θ等于90时,幂律液滴融合初期时的液桥半径与时间的平方根呈正比,这一规律与牛顿流体一致。

关键词：格子Boltzmann方法非牛顿流体相场法液滴铺展液滴融合

矩形凹槽微通道中两相流速度对液滴融合的影响

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矩形凹槽微通道中两相流速度对液滴融合的影响