液滴碰撞亲-疏水性组合壁面过程的数值模拟

摘要

浸润性是影响液滴碰撞动态特性的重要因素之一:亲水性壁面有利于液滴快速铺展，而疏水性壁面有利于液滴发生反弹。利用该特性，将不同的浸润性组合在同一个壁面上，可以产生很多新的应用。比如:在超疏水性壁面上设置亲水点将壁面分割成多个微小的单元，可以形成“液滴微阵列”，实现细胞筛选等实验的高度并行化和小型化。这个过程中，为了保证实验的准确性，需要避免相邻区域的液滴发生相互干涉。这就要求在掌握液滴碰撞特性的前提下，对壁面上亲水点的大小及亲水点间的距离进行设计。
　　本研究主要内容包括：⑴采用VOF方法对液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的过程进行数值模拟。为了得到一般性结论，将液滴性质、壁面亲水点尺寸等影响参数合并成三个主要无量纲参数We、Oh、和βi。其中，We数代表惯性力与表面张力的比值，Oh数代表粘性力与表面张力的比值，βi代表亲水点与液滴初始直径的比值。㈡在We=1～100，Oh=0.001～1和βi=0.5～10的工况范围内进行计算，结果表明，随着We、Oh、和βi的变化液滴表现出三种碰撞结果，分别为不破碎、单液滴破碎、多液滴破碎。在Oh-We图中，液滴不发生破碎发生在右边及下边区域;单液滴破碎发生在中间区域;多液滴破碎发生在左上角区域;增大βi可以使不破碎的区域增大。其中单液滴破碎是指液滴只发生一次破碎，主要受表面张力和壁面粘附力的影响;多液滴破碎是指液滴发生多次破碎，除上述原因外还受到毛细波的影响。⑶在We数较小时，如果βi也较小，则亲水点的存在不会影响最大铺展直径;如果βi较大，则会将液滴限制在亲水点内，最大铺展直径≤亲水点直径。在We数较大时，惯性力处于主导地位，最大铺展直径则不受亲水点大小影响。液滴稳定状态下，动能全部耗尽，稳定直径与初始状态无关，由壁面性质决定。因此稳定铺展因子βs（液滴稳定直径与亲水点直径之比）与Re、We无关，而与βi呈一一对应的关系。当βi=0.5时，液滴边缘超出了亲水性区域，βs≈1.26;当βi=1.0、1.5时，液滴边缘被限制在亲-疏水性分界线上，βs≈1.0;当βi=2.0，液滴稳定在亲水性区域内部，βs≈0.81。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 液滴碰撞均匀浸润性壁面的研究现状

1．2．2 液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的研究现状

1．3 本文研究内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．3．3 创新性

第2章 液滴碰撞壁面过程的数值计算方法

2．1 物理数学模型

2．2 控制方程的建立

2．2．1 VOF方法

2．2．2 基本控制方程

2．2．3 控制方程无量纲化

2．3 计算域及边界条件

2．4 网格划分及求解设置

2．5 模型验证

2．6 本章小结

第3章 液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的动态特性分析

3．1 计算工况

3．2 浸润性对液滴碰撞结果的影响

3．3 We数对液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的影响

3．4 亲水性区域相对直径βi对液滴碰撞组合壁面的影响

3．5 碰撞结果分区图

3．6 本章小结

第4章 液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的铺展特性分析

4．1 液滴铺展因子的变化

4．2 液滴最大铺展因子βmax

4．3 液滴稳定铺展因子βs

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

致谢