电场作用下液滴撞击表面动力学数值模拟研究

摘要

电场作用下液滴形变在工业应用中广泛存在，例如电喷射、喷墨打印、燃油雾化、生物医药和输电线覆冰等，对液滴在电场中运动行为的深入理解，将有助于设计、优化工业过程的各种设备。但是电场和流场是双向强耦合过程，液滴在电场中受到惯性力、黏性力、表面张力和电场力的耦合作用，使其运动行为十分复杂。　　本文采用了VOF方法追踪相界面，同时耦合动态接触角模型，对液滴撞击表面的动态过程进行模拟；进一步耦合电荷输运方程、麦克斯韦应力方程等对电场作用下液滴撞击表面后的运动过程进行了模拟，采用模型所得结果均与可视化实验数据进行了对比验证且符合较好。主要研究内容如下：　　(1)耦合电流体数值模拟求解器，基于开源软件OpenFOAM平台中Interfoam求解器，将作用在液滴上的电场力作为源项添加到N-S方程中，同时求解守恒形式的电荷方程，实现电场和流场的相互耦合；耦合动态接触角模型，更加精确的捕捉物理现象的细节，获得准确的模拟结果。通过液滴撞击表面模拟与实验对比，验证了动态接触角模型耦合的正确性，通过电场下油液拉伸、液滴撞击表面的实验对比，验证了电场方程、界面追踪方法、接触角模型相互耦合的正确性，该模型能准确的模拟出电场下液滴的动态过程。　　(2)模拟单液滴撞击固体表面的运动过程，研究了动态接触角模型对液滴撞击过程的影响，比较亲疏水表面上，不同接触角模型以及接触角滞后对模拟结果的影响，分析了前进角和后退角对液滴反弹后二次液滴分离的影响，研究了We数对液滴撞击亲疏水表面的影响规律。　　(3)分析了电场下液滴撞击亲水表面和超疏水表面上的喷射动态过程，讨论了电场强度、不同We数对电场下液滴撞击亲水表面和超疏水表面运动行为的影响规律，重点关注液滴撞击过程中表面电荷量、电场力以及电场强度的畸变程度的变化。　　研究表明，在动态接触角模型中引入接触角滞后模型更能实现模拟对实验细节的精准反映，例如二次液滴的分离等；增加前进角能抑制液滴的铺展，后退角增大使得液滴更容易振荡；亲水表面上，随We数增加，液滴铺展直径增大，最大拉伸系数减小，超疏水表面上，We数的增加，铺展系数增大，液滴的最大拉伸系数更大，二次液滴更易分离。对于电场作用下的液滴撞击过程，发现液滴撞击过程形态变化会导致液滴顶部场强的局部畸变，顶部电荷集中，电场力增加，电场力进一步拉伸液滴，循环往复，直到液滴表面某一位置电荷的库伦斥力大于表面张力，发生喷射现象；电场强度对液滴的铺展系数影响较小，而对液滴的拉伸系数影响较大，随着场强增加，液滴最大拉伸高度增加，液滴喷射时，拉伸高度急剧增加，同时液滴表面的电场强度、电荷量以及电场力随之增加，促进二次液滴分裂提前，但由于液滴分裂、细丝拉伸断裂等原因，液滴表面总体所受电场力变化剧烈，导致液滴出现回落、飞升和振荡等行为。本文的研究成果为电润湿、喷墨打印和输电线防结冰等领域的机理研究提供了一定参考。

目录

符号表

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1液滴撞击固体表面研究现状

1.2.2电场下液滴运动行为研究现状

1.3主要研究内容及创新性

1.3.1研究目的与创新性

1.3.2研究内容

2数值模拟方法及验证

2.1模型方法

2.1.1OpenFOAM介绍

2.1.2流动控制方程

2.1.3VOF方法界面追踪

2.1.4电场控制方程

2.1.5接触角模型介绍

2.2数值模拟相关问题处理

2.2.1界面重构方法

2.2.3表面张力模型

2.2.4 接触角计算

2.2.5 计算稳定性

2.2.6 求解流程

2.3模型验证

2.3.1无电场液滴撞击表面

2.3.2电场下油液拉伸验证

2.3.3电场下液滴撞击表面

2.4本章小结

3 液滴撞击固体表面数值模拟研究

3.1多种动态接触角模型对比

3.2接触角滞后对液滴撞击的影响

3.2.1接触角滞后

3.2.2接触角滞后大小对液滴运动影响

3.2.3撞击过程中液滴内部多物理量场分析

3.3We数对液滴撞击的影响

3.4本章小结

4 电场作用下液滴撞击表面数值模拟研究

4.1电场下液滴的运动行为分析

4.1.1液滴撞击亲水表面动态分析

4.1.2液滴撞击超疏水表面动态分析

4.2电场强度对液滴的运动行为的影响

4.2.1场强对液滴撞击亲水表面的影响

4.2.2场强对液滴撞击超疏水表面的影响

4.3We数对液滴的运动行为的影响

4.3.1We数对液滴撞击亲水表面的影响

4.3.1We数对液滴撞击超疏水表面的影响

4.4本章小结

5结论与展望

5.1本文主要结论

5.2后续工作的展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢