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。

基于格子玻尔兹曼方法的低We数液滴铺展凝固模拟研究

为了研究3D喷墨打印中液滴在壁面的铺展、凝固现象与机理,基于格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann method,LBM),建立了三维多组分相变模型,模拟计算了单液滴在低We数条件下与低温基板碰撞后的演变过程。在模拟过程中考虑了壁温、壁面润湿性等因素对于液滴的铺展、凝固的影响。模拟结果表明,在非润湿性壁面,液滴铺展产生震荡阻尼现象,通过改变壁温控制液滴凝固速度可以达到阻碍或者促进液滴铺展;而在润湿性壁面,凝固会阻碍液滴铺展,液滴最终铺展因子随接触角减小而降低,并且与壁温成正比关系。此外,壁温在低于一定范围后才会对液滴形貌(铺展因子、接触角)造成明显影响。

非牛顿流体液滴铺展过程的格子Boltzmann模拟

格子Boltzmann可有效模拟气液两相流动,成功应用于牛顿流体动态湿润领域和非牛顿流体单相流动领域的研究。将牛顿流体的两相流动格子Boltzmann模型与非牛顿流体单相流动格子Boltzmann模型相结合,建立了幂指流体两相流动格子Boltzmann模型,模拟了牛顿流体和幂指流体液滴铺展过程,并将液滴半径随时间的变化规律模拟结果与液滴铺展理论模型进行了比较,对两类流体的铺展指数与流变指数变化关系进行了分析讨论。

非牛顿幂律流体液滴铺展特性

目的研究假塑性流体和胀流型流体在显微镜载玻片及云母表面上的铺展动力学.方法采用液滴铺展法测试两种流体在毛细区铺展半径随铺展时间的变化关系.结果对于完全浸润系统,铺展半径随时间的演化可用幂指关系表示,其中假塑性流体铺展指数m小于0.1,胀流型流体铺展指数m大于0.1.m小于0.1时铺展速率低于牛顿流体,m大于0.1时铺展速率高于牛顿流体,同时流体非牛顿效应越强,铺展指数偏离牛顿流体理论值0.1越大.部分浸润系统,铺展半径与时间呈非单一幂指函数关系.结论笔者提出的指数关系R描述其铺展的规律,可很好描述整个铺展过程液滴半径随时间的演化.假塑性流体和胀流型流体铺展定律与牛顿流体显著不同,幂指数n是影响铺展定律的关键参数.

不同初始条件下液滴铺展过程中的指进特征

针对含活性剂液滴在预置液膜上铺展过程中形成的指进现象,基于润滑理论建立的液膜厚度和活性剂浓度演化模型,通过数值模拟得到了不同初始条件下的指进特性,并利用分形维数分析了指进现象的非线性特征。研究表明:液滴铺展过程中,在液滴底部液膜最薄区产生指进现象;随预置液膜厚度增加,铺展范围扩大,指长缩短;随初始活性剂浓度降低,铺展范围缩小,指长减小;增加毛细数,指长变短、手指密度减小,手指分叉程度也显著减小;指宽在铺展中后期呈现波动特征;增大预置液膜厚度或毛细数、降低初始活性剂浓度,均使指进现象的分形维数减少,即手指的分叉程度减弱,减小了铺展过程不稳定性特征。

液滴铺展过程的能量转换

普遍的观点认为,液滴铺展过程中,表面能参与了粘性损耗。但通过球缺型假设模型进行理论分析,结果表明,铺展过程中系统的内能(分子动能除外)守恒,无损耗,表面能、粘附能和变形能相互转化。粘性耗散的能量来源只可能是系统的机械能。在液滴铺展过程中,表面张力的水平分量做功引发了系统内能的转换,表面张力的垂直分量做功参与了粘性耗散过程。

压电喷墨液滴撞击光滑壁面铺展行为的数值研究

目的 研究典型流体相关无量纲参数对墨滴在光滑承印物表面铺展行为的影响,确定各无量纲参数对铺展直径、铺展因子和稳定铺展时间的影响规律。方法 利用Ansys软件,建立墨滴撞击光滑壁面的数值计算模型,采用VOF模型追踪液滴形状,采用PISO算法计算压力速度耦合。引入韦伯数、雷诺数、奥内佐格数来分析墨滴撞击光滑承印物表面的铺展行为。结果 计算获得不同韦伯数、雷诺数、奥内佐格数下墨滴的最大铺展直径、最终平衡铺展直径、最大铺展因子和最终铺展时间。结论 韦伯数和雷诺数对墨滴最大铺展直径的影响较大,对最终平衡直径的影响较小。韦伯数或雷诺数越小,回缩阶段越短,越快达到平衡。韦伯数、雷诺数与最大铺展因子呈明显正相关。奥内佐格数对墨滴的最大铺展直径、最终平衡直径的影响都较小。奥内佐格数越小,回缩阶段越短,越快达到平衡,奥内佐格数与液滴最大铺展因子呈不明显的正相关性。

喷印金属双液滴撞击固体形成气泡的模拟研究

喷墨打印镓金属液滴撞击固体表面时会产生空气夹带,造成气泡沉积出现喷墨打印导线不互联现象,深入理解气泡形成的影响因素是解决此问题的关键。为消除气泡,提高打印导线互联性,本研究使用Ansys Fluent软件,采用VOF耦合水平集方法,建立了二维镓金属双液滴撞击固体铜基板过程的仿真模型,研究了水平壁面温度、双液滴间距、倾斜壁面角度、倾斜壁面温度等参数对金属双液滴撞击固体壁面形成气泡过程的影响规律。研究结果表明,对于水平基板,在不同基板温度下气泡的大小呈现双向变化,金属双液滴间距的增加更有利于液滴铺展。当金属双液滴间距S=D_(0)-2.38D_(0)时,有气泡形成;当S=2.38D_(0)-2.5 D_(0)时,液滴铺展出现断裂,且气泡随温度的增加没有明显变化;当金属双液滴间距S=2.6 D_(0)时,随着温度的增加不再产生气泡,此时喷墨打印液滴表现出最佳精度,提高了打印导线的互联性。对于倾斜基板,使用参数韦伯数(We⊥)和参数(K⊥)表征金属双液滴形成的气泡,当撞击倾斜壁面韦伯数We⊥>15、K⊥>0.035时,液滴会在固体表面上形成气泡;当We⊥>16、K⊥>0.04时,形成的气泡直径随壁面温度的增加而减小;当15<We⊥<16、0.035<K⊥<0.04时,液滴出现铺展断裂,并且气泡直径随着壁面温度的增加而减小;当5<We⊥<15、0.015<K⊥<0.035时,液滴铺展断裂且气泡直径变大;当We⊥<5、K⊥<0.01时,液滴在基板形成的气泡消失,此时为喷墨打印液滴的最佳精度,可提高打印导线的互联性。该研究为优化喷墨打印金属液滴的工艺提供了重要理论依据,有望在实际应用中消除气泡,进一步提高喷墨打印导线的互联性。

假塑性流体液滴撞击壁面上的铺展的格子Boltzmann模拟

流体液滴在壁面上的铺展与沉积在工业应用中存在广泛应用,研究非牛顿流体特性对液滴铺展的影响具有重要的实际意义。基于相场法建立了非牛顿幂律流体与牛顿流体的两相流格子Boltzmann模型,引入包括接触角影响的边界条件,模拟了假塑性流体在幂律指数(n)0.5～1.0以及韦伯数(We)5～45时液滴撞击壁面的铺展过程。结果表明:相对于牛顿流体,幂律流体的非牛顿特性会抑制液滴的铺展,且n越小,越有利于液滴沉积。此外,韦伯数越大,液滴越快地达到稳定。

液滴在梯度润湿铜表面上的定向铺展

为了定量考察铜表面上润湿性梯度对液滴铺展性能的影响,采用碱辅助表面氧化法,在长10mm的铜表面上构建了水接触角为89.5°-27.5°连续变化的润湿性梯度,采用场发射扫描电镜观察该梯度润湿表面的微观形貌变化,并以高速摄像机研究了液滴在该梯度润湿铜表面上的铺展规律。结果表明,在梯度润湿铜表面上液滴会朝亲水端方向进行定向铺展。3和6μL液滴在该梯度润湿铜表面上的铺展距离分别为5.7和6.4mm,平均铺展速度可分别达240.9和309.1mm/s。其定向铺展距离和铺展速度均高于相应液滴在均匀亲水（27.5°）铜表面上的铺展距离与铺展速度。

Collings模型预测微液滴最大铺展直径因数研究

目的—微液滴撞击平面基底承印物表面的铺展行为决定喷墨网点的大小,决定数字喷墨印刷成像的质量,研究微液滴撞击平面基底的铺展行为对印刷行业具有重要意义。方法—研究Collings等人的液滴撞击平面铺展模型,基于能量平衡方程推导Collings模型表达式,得出最大铺展直径因数与韦伯数、接触角的函数关系,而且将模型计算结果和试验数据进行对比,分析总结Collings模型公式的适用范围。结论—该模型在液滴直径较小、撞击速度较慢、液滴的韦伯数介于[15,115]、雷诺数远大于韦伯数的条件下,对液滴的最大铺展直径因数具有较好的预测能力;其它条件下,需要考虑更多的物性参数才能更准确地预测微液滴最大铺展直径因数。

水中油滴在不同润湿性表面上的铺展行为研究

通过高速显微实验与理论推导相结合的方式,从微观角度研究了水中油滴在光滑铜板基底的铺展行为;通过物理和化学修饰,实现了黄铜表面水下超亲油到超疏油的可控调节,观察了油滴浮升到修饰黄铜表面后铺展长度随时间变化的差异。与空气中液滴撞壁铺展不同,水中油滴的铺展需要同时考虑液滴铺展过程中周围流体对液滴铺展的黏性作用,其在基底表面的铺展过程十分复杂。采用能量守恒方法,得到了油滴在水中基底表面上的特征值之间的定量关系,建立了基于能量守恒方法的油滴在不同润湿性固体基底表面的铺展模型,用以指导新型油水分离设备的制备。

液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究

利用高速摄影仪记录了不同液滴撞击固体表面的形态变化过程,并探讨了液滴撞击参数对撞击过程液滴形态的影响.结果表明:液滴黏度对液滴铺展过程起着决定性作用,液滴表面张力对液滴铺展后的回缩起到主导作用,两者的共同作用决定着液滴的震荡特性;撞击速度的提高会增大液滴的最大铺展因子,但达到最大铺展的时间因表面张力的不同呈现不同变化规律.

基于Level Set-VOF法的R1234yf单液滴撞击壁面特性研究

随着电子产品集成化程度越来越高,其表面的散热需求也越来越大,因此急需找到良好的散热方式以解决此类高热流密度设备的散热问题。喷雾冷却技术作为一种高效的热控制技术引起众多学者的广泛关注,其具有可适用范围广、用量小、经济性好、表面接触热阻小、待冷却表面温度分布均匀以及无沸腾滞后性等优点[1-2],但是针对高热流密度表面对冷却介质及换热表面温度和系统的安全性高要求,喷雾冷却的具体工程应用及可靠性亟需做进一步研究。

水-乙醇液滴撞击加热面过程的可视化观测

利用高速摄像仪对水-乙醇混合物液滴撞击加热表面的过程进行了可视化观测,探讨了流体物性、加热面温度、液滴撞击速度对该过程的影响,分析了液滴的形态变化以及在加热面铺展和沸腾的特征。结果表明液体的惯性力、黏性力和表面张力共同决定了液滴的铺展特性,实验中观测到了混合物液滴的回缩滞后和液滴在高温下的核态沸腾现象,发现黏性力、表面张力和组分分布共同影响液滴边缘液膜的回缩过程,温度的改变会影响液滴的相变特性.

SiC表面圆环槽边缘效应实验研究

基于固体边缘效应,对碳化硅(SiC)表面激光加工圆环形沟槽的润湿特性进行实验研究,通过分析去离子水在圆环槽上的润湿性能及其在边缘处的铺展行为,获得了环槽深度与环槽宽度对液滴在边缘处最大表观接触角的影响规律.结果表明,SiC圆环槽阻碍液滴铺展,光滑基体表面上接触角为70°,激光加工圆环槽深度为290μm,宽度为1 mm时,接触角可达138.5°.随槽深的增大,接触角呈现先增大后趋于稳定的趋势,临界槽深为80μm.当槽深小于该极值时,接触角随槽深的增大而线性增大;当槽深大于该极值时,液滴处于稳定钉扎状态,接触角趋于稳定,其稳定值符合Gibbs不等式.环槽宽度存在一临界值40μm.当槽宽低于该值时,液滴接触环槽外缘后越过沟槽继续在平面上铺展;当槽宽大于该值时,接触角趋于稳定,液滴沿边缘铺展.

聚乙二醇的纳米二氧化硅分散系动态湿润特性

流体动态湿润在工业生产和高新技术的开发中有广泛应用,非牛顿流体动态湿润研究正处于起步阶段,并有着相对于牛顿流体更为实际的应用前景和价值。本文研究了一类具有复杂流变性的聚乙二醇的二氧化硅纳米颗粒分散体系的动态湿润特性。通过液滴铺展法得到了液滴半径随铺展时间的变化关系,以及动态接触角随接触线移动速度的变化关系的实验数据。实验结果表明,该类流体在云母表面上完全铺展,R～t关系符合Tanner定律,结合Starov的理论,分析R～t数据认为该类流体的中剪切速率阶段,即包含剪切增稠段的流变性对动态湿润有重要的影响。现有的动态接触角理论没有针对该类复杂流变流体的专用模型,研究发现分子运动理论模型不考虑黏性耗散,不仅适用于牛顿流体,对本文的θ_D～U数据同样能很好地描述,拟合参数符合物理意义。

三相接触线形状对复杂流变流体动态湿润特性的影响

本文采用液滴铺展法和Wilhelmy吊片法开展了不同浓度的PEG400+SiO_2纳米颗粒的非牛顿流体在盖玻片上动态湿润特性的研究,这类纳米流体流变性复杂,随着剪切速率的增大,其黏度从弱剪切稀化到强剪切增稠再到强剪切稀化的特征。本文通过对比两种实验方法获得的θ_D-U实验数据,发现三相接触线形状对此类复杂流变流体的θ_D-U呈现一定影响。通过分析其流变性和动态湿润特性的变化规律,从理论上分析了三相接触线形状影响复杂流体动态湿润的原因,并从微观上分析了角区控制动态湿润过程的关键。