文摘

疏水性表面的润湿性和水滴的动态行为影响疏水表面使用晶格玻尔兹曼方法模拟,和条件的反弹现象分析了影响固体表面的水滴。结果表明,有一个内在的接触角之间的线性关系和fluid-wall粒子的相互作用强度。与相同的内在的接触角,疏水表面微观形态学可以提高表面疏水性,尤其是层次微观形态学。水滴的动态行为影响固体表面润湿性的影响。表面疏水性强,容易出现反弹现象。如果液滴的动能大于表面能量的总和和最低转换重力势能和收缩完成传播时,会出现反弹现象。疏水性表面的粘性耗散远小于亲水表面,扩散后的液滴仍有高动能和萎缩,这是有利于水滴的反弹。

1。介绍

最近,越来越多的研究表明,疏水表面具有良好的应用前景方面的流体减阻、流降噪,anticontamination,防腐,等等1- - - - - -3]。例如,它被用作减阻和anticontamination涂层管道的内表面和船的船体,自洁外墙涂料和卫星接收器,以及防冰和防霜冻组件航空航天、涂料,无一例外,在疏水表面与液滴的运动,特别是水滴的动态行为影响疏水表面。戴维森(4]研究了液滴撞击固体表面使用边界积分方法。Pasandideh-Fard et al。5)模拟熔融金属液滴的固化水平和倾斜的不锈钢表面受到(体积的液体)和连续表面张力模型。藤本et al。6)也使用受到学习的影响角度对液滴的变形行为的影响。尽管研究的几种计算模型的动态行为滴影响固体表面已经由研究人员开发的,这个问题的难度仍然依赖于如何准确地跟踪自由表面的位置。晶格玻尔兹曼方法,作为一种新的计算流体的方法,成功地在介观和宏观层面上起作用。特别是,当事情来多相、多组分流体流动的数值模拟,Shan-Chen晶格玻尔兹曼方法的模型可以实现热力学相变容易与适当的势函数(7,8]。黄等。9]研究了液滴的运动在一个槽通道用晶格玻尔兹曼方法。施等。10)数值模拟液滴运动马朗戈尼效应推动下,由表面张力梯度诱导与加快固液界面。然而,他们主要担心的是液滴在固体表面的运动,并在水动力,很少有人注意行为和能量转换机制影响固体表面的水滴。因此,探讨水滴的动态行为影响固体表面润湿性不同使用加快和讨论了液滴跳跃的发生条件当固体表面变得从能量的角度。

2。数值方法

2.1。晶格玻尔兹曼方法

晶格玻尔兹曼方法,基于介观动力学模型,已经发展成为一个替代,并承诺为近年来模拟流体流动数值模式。晶格玻尔兹曼方法,本文提出基于离散粒子的流和碰撞固定格点的密度分布函数,和相应的进化函数表示为(11] 在哪里是粒子密度分布函数,它取决于职位,粒子的离散速度和时间,平衡分布函数,是无量纲的弛豫时间与流体动力学粘度有关。

左边的格子波尔兹曼方程代表粒子的流,而右侧的代表碰撞的过程,这使得走向均衡分布。在D2Q9模型(11),均衡分布是由

离散速度设置为 在哪里晶格速度;和分别是晶格长度和时间步长;声音的速度在离散模型和加权因素取决于链接角(();();())。

宏观的密度和速度定义如下:

是由宏观的压力直接。

2.2。Shan-Chen模型

引入微观粒子之间的分子间作用力,掸族和陈提出了伪势模型(12,13),这很容易耦合microforces,微流问题的主导作用。模型反映了流体动力学的物理性质、扩大晶格玻尔兹曼方法的应用范围的模拟微流复杂表面的润湿性。在Shan-Chen模型中,流体粒子的网站收到最近邻力流体粒子和坚实的墙壁,都写在下列表格,分别为:

在(5)是相互作用强度,在(6)吸附参数,代表力的强度由固体。改变参数可以模拟不同的固体表面润湿性,是一个“开关”,呈现价值,如果网站吗是固体,否则为0。direction-dependent相同权重因子使用。相互作用势函数,必须单调递增和有界的。因此,本文中使用的方程表示为。

在Shan-Chen模型中,粒子间的力量的影响纳入平衡分布函数通过将平衡速度:

由状态方程

3所示。数值模拟的疏水性表面的润湿性

描述疏水性表面的润湿性的关键参数是表面上的接触角,这主要是由材料特性和微观形态学。这提供了一个新的研究路线:首先,确定吸附参数之间的关系和内在接触角在特定交互强度通过模拟平稳固体表面的接触角;然后表面构建微貌明显模拟真实固体表面的接触角。

3.1。确定内在的接触角

内在光滑的固体表面的接触角是通过改变吸附参数调整为一个特定的相互作用强度。计算域的矩形空间晶格单位,晶格单位大约是1.2μ在物理规模。无因次时间,重力加速度。定期计划用于左和右边界,而无滑动反弹方案用于顶部和底部边界。一个圆形液滴直径150放在底部墙的中间。

不同的部队从实心墙,液体滴显示不同的形状,当系统达到平衡状态。水滴的形状和接触角不同吸收系数如图1。拟合的结果和在图2说明有一个线性关系和,随的增加而减小。拟合结果表示为线性方程

根据(9),固体材料是亲水的;为固体材料是疏水的。

3.2。确定表观接触角

为了模拟真实的固体表面的表观接触角,我们需要建立微貌的光滑的固体表面上有特定的材料属性。在仿真中,2 d广场缸代表疏水表面粗糙的元素。气缸是由参数列宽度、间距,高度。当计算聚合,得到液滴的形状和表面的接触角不同的疏水表面,如图3。模拟图3基于相同的吸收参数,这意味着这些表面共享相同的材料属性。根据图,液滴的接触角光滑的疏水表面108.9°,表明相对较弱的疏水性。然而,在添加一个表面粗糙结构,其疏水性显著提高。

对液滴放在复合表面如图3,当气液界面分数表面的接触角是123.1°;当接触角是123.1°;表面被层次微观形态学装饰时,接触角为151.8°,superhydrophobicity。实验研究获得的结果验证之前的理论与层次微观形态学更疏水表面并解释为什么荷叶superhydrophobic-lotus叶微米大小的乳突,装饰着纳米蜡状晶体。

随着表观接触角是123.3°和140.8°,分别对气液界面分数和据Cassie-Baxter润湿状态方程的值,我们可以得到内在的接触角很容易在良好的协议与分析结果。证明Shan-Chen晶格玻尔兹曼方法的模型可以同时考虑材料特性和微貌,所以它非常适合研究复杂润湿表面微流程的问题。

4所示。的数值模拟在疏水表面水滴的动态行为的影响

两个无量纲值用于描述液滴的动态行为影响是韦伯数和雷诺。前的一个可以认为测量液体的相对重要性的惯性相比,它的表面张力,而后者一个量化的相对重要性流体的惯性粘滞力。两个数字定义的打击: 在哪里液滴的密度,是初始液滴直径,是滴影响速度,是表面张力,是液体的运动粘度。

计算领域仍然是一个长方形的空间晶格单位。定期计划用于左和右边界,而标准恢复计划是用于顶部和底部固定边界。圆形液滴直径150和一个初始的下行速度是放置在底部墙的中间。液滴受到统一的垂直向下的力。因为本研究专注于固体表面的润湿性的影响水滴的动态行为,和设置为常量:和。润湿性是调整通过改变微貌的吸收参数和几何参数。研究对象是典型的亲水表面和疏水表面,其属性如表所示1。

数据4- - - - - -7显示动态过程影响在不同固体表面的水滴。可以发现从五个数字,液滴在不同固体表面都经历了两个过程:传播和萎缩。液滴与固体表面接触后,流体扩散半径在惯性力的作用下,也就是说,传播;飞沫传播到最大时,流体沿半径在表面张力的作用下收缩,收缩。然而,由于不同的表面润湿性能,液滴运动在不同固体表面表现出显著差异。

在亲水性固体表面(CA = 42.5°,如图4),液滴表面传播迅速下降到微貌差距,形成飞碟的形状。随着时间的推移,液滴的边缘逐渐倾斜,为中心部分变得稍薄。成一个圆盘形状的液滴变化。飞沫传播的最大时,它开始收缩表面张力的作用下,朝着中心线,形成一个向上流动,不会离开表面由于附着力。

疏水固体表面上的水滴(CA = 119.3°,如图5)也经历传播和萎缩,但与亲水表面运动相比,滴浸到的差距只在初始阶段与表面接触。在收缩过程中,流体走向中心形成一个向上流动。随着液滴受到拉伸,液滴与固体表面的接触面积逐渐减少。虽然滴倾向于离开,它不能离开固体表面没有足够的动能,克服附着力。

更多的疏水固体表面(CA = 138.2°和CA = 151.8°,如图6和7、职责),水滴也体验传播和萎缩。然而,水滴还没有动用的差距,他们更快地传播和收缩。在收缩过程中,流体走向中心形成一个向上流动。滴下拉伸,液滴与固体表面的接触面积逐渐减少,直到水滴弹跳起来,可以远离固体表面。然后液滴沿水平和垂直方向反复。他们上升的蠕动,垂直力的作用下达到最高点后,然后体验另一个时期的传播和萎缩。它可以发现通过比较数据6和7如果表面疏水性较强,液滴的最大高度更大,液滴将接受更多的传播和萎缩之前,最终达到一个稳定的状态。

接下来,水滴的动态行为特征影响固体表面将从能量的角度分析。根据能量最小原理,静止液滴在固体表面的表面能最小。水滴触及固体表面后会经历两个阶段:传播和萎缩。液滴在固体表面的传播行为与不同润湿性是相似的。液滴与初始动能向外偏离中心和移动在惯性力对固体表面的粘附力,连同增加的表面积和表面能。在此阶段,部分液滴的动能转化为粘性耗散能量,它的一部分转化为表面能。当耗尽时,液滴速度降为零,而达到最大值。液滴表面张力下向内收缩,表面积减少,速度增加。能量变化在萎缩阶段转换的一部分成动能为了克服粘附力的作用。如果收缩阶段后的反弹现象发生,它应该发生的能量之间的过渡动能和重力势能。所以,当液滴完全反弹,最小重力势能从动能转移。因为水滴在疏水表面的附着力是远远低于亲水表面,前的粘性耗散是安静的小液滴,使液滴仍然有相对较高的动能即使传播和萎缩阶段。这导致了独特的动态行为的水滴在疏水表面:(1)如果满足动能收缩阶段后,液滴的反弹现象不会发生甚至倾向于弹出,如图8 (b)。(2)与固体表面的疏水性增强,粘性耗散在传播和收缩变得更小。如果满足动能缩小后,水滴从固体表面向上移动,可以反弹现象发生,如图8 (c)。

5。结论

本文模拟疏水表面的润湿性和水滴的动态行为影响疏水表面晶格玻尔兹曼方法,得到以下结论:(1)晶格玻尔兹曼方法能够同时考虑材料特性和微貌,给出了一个相对较高的精度,并展示了伟大的角度研究水滴的动态行为影响疏水表面。(2)水滴的动态行为影响固体表面润湿性的影响。越疏水固体表面,水滴越有可能反弹。(3)如果液滴的动能大于表面能量的总和和最低转换重力势能传播和收缩时,会出现反弹现象。疏水性表面的粘性耗散远小于亲水表面,水滴还有高动能即使传播和萎缩,这是有利于水滴的反弹。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

支持的工作是由中国国家自然科学基金(11502210,11502210,51479170)和专门研究中国高等教育的博士项目基金(20126102110009)。