带移动接触线两相流问题的格子玻尔兹曼数值研究

【摘要】：本文以自然界和工业应用中的带移动接触线两相流问题为背景,采用He-Chen-Zhang格子玻尔兹曼两相流模型实现了接触角迟滞效应在LBM中的应用,并进一步以此方法为基础,采用轴对称的He-Chen-Zhang模型研究了液膜在光滑固壁和粗糙固壁上的去湿动力学问题、自由液滴与固壁上静止液滴的融合动力学问题。主要的工作和研究成果如下： (1)将接触角迟滞模型耦合到两相流格子玻尔兹曼模型(He-Chen-Zhang模型和Lee-Lin模型)中,并应用于液滴动力学模拟,如将固壁(理想固壁或非理想固壁)上的液滴置于剪切来流、重力场中等,对这些算例从两个方面进行了验证,定性上,观察到了接触角的迟滞效应,如剪切流中液滴接触线(点)运动——接触角迟滞间的对应关系与实验结论一致、倾斜板(非理想)上液滴接触线(点)与固壁间发生粘附现象、实验中观察到的液滴蠕虫式爬行运动被模拟再现等。定量上,着重关注液滴的界面演化,并与已发表结果进行了对比,发现吻合良好；倾斜板上静止液滴受力平衡方程也得到了准确验证。大量应用结果表明：将接触角迟滞模型耦合到格子玻尔兹曼两相流模型中,能够实现接触角迟滞的正确计算,此方法可广泛应用于与接触角迟滞相关的液滴动力学模拟中。 (2)采用轴对称两相流格子玻尔兹曼方法(He-Chen-Zhang模型)研究了液膜在光滑和固壁上的去湿过程。对于光滑固壁,考察了接触角(θe。),Ohnesorge数(Oh)和粘性比(λμ)对去湿动力学的影响；观察到接触线以恒定的速度V移动,当θeq40°, V近似正比于θeq3,即V∝θ3/eq,此结论和实验观察一致；发现当θeq相对较大时(θ。q40°),V随θeq的增大而线性增大,即dV∝dθeq;证实了液膜厚度几乎不影响接触线的速度,以及接触线的速度反比于液膜的粘性；发现当Oh0.1时,σ几乎不会影响接触线速度；但是当Oh0.1时,减小σ使得接触线移动速度锐减；还发现增大液膜和气体的粘度比,可使接触线移动速度增大。对于粗糙壁上液膜的去湿,发现液膜在Wenzel状态下,粗糙壁面对去湿有很强的阻碍作用,但在Cassie状态下,液膜下面的气体对去湿有润滑效应(比光滑固壁上的去湿更快),但随着θeq增大,润滑效应逐步减弱,此时影响去湿速度的主要因素是接触角；粗糙度的几何参数也对去湿速度有重要影响,液膜处于Wenzel状态时,若粗糙度(柱子)较深,原处于凹槽的液体会被掐断、滞留在凹槽中,凹槽相对较浅时,原处于凹槽的液体会完全被液膜带走,这种差异会显著影响去湿速度(前者去湿更慢)；另外,增大粗糙度(柱子)的间距,会导致去湿速度变慢。 (3)采用轴对称两相流LBM研究了自由液滴与固壁上静止液滴(半径是R2)的融合。根据动力学特征的不同,在浸润固壁上发现了一种融合模态,而在非浸润固壁上共发现了五种融合模态。在惯性融合机制下,液桥半径和时间遵循形如r/Rc=κ(t/tc)0.5的幂律关系,系数k是Ohnesorge数(Oh)、R2的函数,Oh越小、R2越大,k也随之越大。液桥的融合跟固壁润湿性质没有关联,它只是融合初始时段内发生的局部动力学过程。对于浸润固壁上的液滴融合而言,存在接触角迟滞时,润湿半径随时间呈现台阶式增长,并且迟滞窗口越大,液滴融合后达到定常时的润湿半径越小,同时,使得融合过程中系统获得的动能更多,但衰减更快；迟滞效应的存在,使得液滴初始位置也会对融合后的液滴形态产生影响,初始接触角越大,液滴融合后达到定常时静态接触角反而越小。对于非浸润固壁上的液滴融合而言,接触角(不考虑迟滞)较小时,自由液滴能够被吸入到固壁上液滴中；接触角(不考虑迟滞)较大时,固壁上液滴能够被吸入到自由液滴中；同时,液滴惯性大小也对融合模态起重要作用,自由液滴较大时,它可将固壁上的液滴带离壁面,当自由液滴变小时,它只能在某时段内将固壁上液滴带离壁面,但融合后仍回到固壁,融合后的液滴最终处于悬空状态还是处于固壁上,是接触角和液滴间相对惯性大小综合影响的结果,接触角越大、自由液滴惯性越大,液滴融合后越容易脱离壁面。Oh只会影响中间的动力学过程,对液滴最终处于空中还是处于固壁上没有影响。