非平整基底上含表面活性剂液滴铺展中的指进现象与分形特性

含表面活性剂液滴在铺展过程中将形成复杂的指进现象。基于润滑理论,采用FreeFem++软件数值求解了非平整基底上液膜厚度和活性剂浓度的二维演化方程,得到了指进现象的非线性特征,分析了不同基底形貌下的液膜厚度和扰动能量变化,并采用分形维数和手指方差探讨了指进现象中的分裂和屏蔽现象。研究表明:对于相同形貌的基底,增大基底粗糙度促使扰动强度增加,粗糙度与超薄液膜区的扰动能量成正相关;手指的分形维数受粗糙度与基底横流影响,仅有一维凹槽基底促进扰动增强;与凹槽基底相比,波纹基底对粗糙度的敏感性更强,其扰动能量随粗糙度的变化更突出。增加基底沿y方向的变化将加速手指的分裂,而增加基底粗糙度则强化手指的屏蔽效应。

非平整基底上活性剂驱动的液滴铺展稳定性研究

当含有表面活性剂的液滴放置在液膜上时,受表面张力梯度的驱动,液滴会自发向外铺展。在铺展过程中,初始微小扰动会在非线性作用的影响下产生以指进现象为特征的不稳定现象,并与基底几何特征密切相关。基于润滑理论推导的液膜厚度和活性剂浓度演化方程,采用FreeFEM++语言编写数值模拟程序,应用微软MS-MPI运行库进行并行化处理,模拟了非平整基底对含活性剂液滴铺展过程中指进现象的影响,使用功率谱方法分析了不同波数对应的扰动能量增长规律,探究了Marangoni效应、毛细效应与扰动能量间的变化关系,揭露了非平整基底对不稳定性的影响机理。结果表明,非平整基底对手指形貌影响不大,但对手指下游影响明显;不同波数对应的扰动能量存在不同的演化特征,优势波数为20和7;最大扰动能量出现在初始条件设置扰动处,与平整基底相对比,凹槽基底可抑制扰动发展,总扰动能量约为平整基底的80%;波纹基底可促进扰动发展,总扰动能量约为平整基底的105%,且波纹基底在初期对特定波数的扰动有明显的促进作用。总体地,非平整基底通过改变活性剂浓度分布影响扰动能量,进而影响指进现象。

液滴在非互溶大黏度比液体表面的铺展特性

利用基于润滑理论的液滴在非互溶液体表面铺展的物理模型,探讨大黏度比情形下黏度比对液滴演化过程和平衡形状的影响,分析液滴厚度、铺展半径等特征参数的变化。结果表明:接触线附近液—液界面的变形受黏度比和表面张力比的影响;提高黏度比将导致铺展速率降低、时间常数减小,进而延长演化历程,但不影响液滴最终稳定形状;铺展半径与时间的关系满足x_(max)=1-0.2 exp(-βt);大黏度比液滴铺展后期并未出现小黏度比时的惯性振荡现象。

垂直排液过程不稳定性的数值模拟

为分析线框排液实验中液膜表面出现的不稳定现象及其成因,针对含有不溶性活性剂的线框液膜排液过程,模拟液膜底部的不稳定现象,分析Marangoni效应、膨胀黏性和扰动波数因素的影响。结果表明:底部扰动在排液开始比较剧烈,而后快速减弱,到排液后期又逐渐增强。排液开始的扰动是由初始扰动引起,而排液后期的扰动与活性剂分布有关。较弱的Marangoni效应可增强表面扰动,而较强的Marangoni效应则减弱底部扰动,使液膜呈刚性,发生表面逆流现象;较高的膨胀黏性减慢液膜排液进程,降低表面速度,且能抑制Marangoni效应引起的逆流现象;波数较大的扰动使液膜在排液初期的扰动变强,但对排液后期的稳定性不产生影响。