帶移動(dòng)接觸線兩相流問題的格子玻爾茲曼數(shù)值研究.pdf

1、本文以自然界和工業(yè)應(yīng)用中的帶移動(dòng)接觸線兩相流問題為背景，采用He-Chen-Zhang格子玻爾茲曼兩相流模型實(shí)現(xiàn)了接觸角遲滯效應(yīng)在LBM中的應(yīng)用，并進(jìn)一步以此方法為基礎(chǔ)，采用軸對稱的He-Chen-Zhang模型研究了液膜在光滑固壁和粗糙固壁上的去濕動(dòng)力學(xué)問題、自由液滴與固壁上靜止液滴的融合動(dòng)力學(xué)問題。主要的工作和研究成果如下:
　　(1)將接觸角遲滯模型耦合到兩相流格子玻爾茲曼模型（He-Chen-Zhang模型和Lee-Lin

2、模型）中，并應(yīng)用于液滴動(dòng)力學(xué)模擬，如將固壁（理想固壁或非理想固壁）上的液滴置于剪切來流、重力場中等，對這些算例從兩個(gè)方面進(jìn)行了驗(yàn)證，定性上，觀察到了接觸角的遲滯效應(yīng)，如剪切流中液滴接觸線（點(diǎn)）運(yùn)動(dòng)—接觸角遲滯間的對應(yīng)關(guān)系與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致、傾斜板（非理想）上液滴接觸線（點(diǎn)）與固壁間發(fā)生粘附現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)中觀察到的液滴蠕蟲式爬行運(yùn)動(dòng)被模擬再現(xiàn)等。定量上，著重關(guān)注液滴的界面演化，并與已發(fā)表結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)吻合良好;傾斜板上靜止液滴受力平衡方程也

3、得到了準(zhǔn)確驗(yàn)證。大量應(yīng)用結(jié)果表明:將接觸角遲滯模型耦合到格子玻爾茲曼兩相流模型中，能夠?qū)崿F(xiàn)接觸角遲滯的正確計(jì)算，此方法可廣泛應(yīng)用于與接觸角遲滯相關(guān)的液滴動(dòng)力學(xué)模擬中。
　　(2)采用軸對稱兩相流格子玻爾茲曼方法（He-Chen-Zhang模型）研究了液膜在光滑和固壁上的去濕過程。對于光滑固壁，考察了接觸角(θeq)，Ohnesorge數(shù)(Oh)和粘性比（λμ）對去濕動(dòng)力學(xué)的影響;觀察到接觸線以恒定的速度V移動(dòng)，當(dāng)θeq＜40°，V

4、近似正比于θ3eq，即V∝θ3eq，此結(jié)論和實(shí)驗(yàn)觀察一致;發(fā)現(xiàn)當(dāng)θeq相對較大時(shí)（θeq＞40°），V隨θeq的增大而線性增大，即dV∝dθeq;證實(shí)了液膜厚度幾乎不影響接觸線的速度，以及接觸線的速度反比于液膜的粘性;發(fā)現(xiàn)當(dāng)Oh＞0.1時(shí)，σ?guī)缀醪粫?huì)影響接觸線速度;但是當(dāng)Oh＜0.1時(shí)，減小σ使得接觸線移動(dòng)速度銳減;還發(fā)現(xiàn)增大液膜和氣體的粘度比，可使接觸線移動(dòng)速度增大。對于粗糙壁上液膜的去濕，發(fā)現(xiàn)液膜在Wenzel狀態(tài)下，粗糙壁面對去濕

5、有很強(qiáng)的阻礙作用，但在Cassie狀態(tài)下，液膜下面的氣體對去濕有潤滑效應(yīng)（比光滑固壁上的去濕更快），但隨著θeq增大，潤滑效應(yīng)逐步減弱，此時(shí)影響去濕速度的主要因素是接觸角;粗糙度的幾何參數(shù)也對去濕速度有重要影響，液膜處于Wenzel狀態(tài)時(shí)，若粗糙度（柱子）較深，原處于凹槽的液體會(huì)被掐斷、滯留在凹槽中，凹槽相對較淺時(shí)，原處于凹槽的液體會(huì)完全被液膜帶走，這種差異會(huì)顯著影響去濕速度（前者去濕更慢）;另外，增大粗糙度（柱子）的間距，會(huì)導(dǎo)致去濕速

6、度變慢。
　　(3)采用軸對稱兩相流LBM研究了自由液滴與固壁上靜止液滴（半徑是R2）的融合。根據(jù)動(dòng)力學(xué)特征的不同，在浸潤固壁上發(fā)現(xiàn)了一種融合模態(tài)，而在非浸潤固壁上共發(fā)現(xiàn)了五種融合模態(tài)。在慣性融合機(jī)制下，液橋半徑和時(shí)間遵循形如r/Rc=k(t/tc)0.5的冪律關(guān)系，系數(shù)k是Ohnesorge數(shù)(Oh)、R2的函數(shù)，Oh越小、R2越大，k也隨之越大。液橋的融合跟固壁潤濕性質(zhì)沒有關(guān)聯(lián)，它只是融合初始時(shí)段內(nèi)發(fā)生的局部動(dòng)力學(xué)過程。對于浸

7、潤固壁上的液滴融合而言，存在接觸角遲滯時(shí)，潤濕半徑隨時(shí)間呈現(xiàn)臺(tái)階式增長，并且遲滯窗口越大，液滴融合后達(dá)到定常時(shí)的潤濕半徑越小，同時(shí)，使得融合過程中系統(tǒng)獲得的動(dòng)能更多，但衰減更快;遲滯效應(yīng)的存在，使得液滴初始位置也會(huì)對融合后的液滴形態(tài)產(chǎn)生影響，初始接觸角越大，液滴融合后達(dá)到定常時(shí)靜態(tài)接觸角反而越小。對于非浸潤固壁上的液滴融合而言，接觸角（不考慮遲滯）較小時(shí)，自由液滴能夠被吸入到固壁上液滴中;接觸角（不考慮遲滯）較大時(shí)，固壁上液滴能夠被吸入