小毛细数下粗糙表面的移动接触线问题研究

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固体表面的润湿问题是自然界中一种常见现象,由于接触线在无滑移边界上存在应力奇异性,因此固体表面的润湿机理研究具有很大的挑战性。另一方面,固体表面往往具有一定粗糙度,进一步加剧了此问题的复杂性。自然界中普遍存在着粗糙壁面,这种物竞天择的结果充满神秘色彩。因此认知接触线问题,特别是粗糙壁面上的接触线运动特性,探究其物理机制具有重要意义。本文基于能量原理提出的相场方法耦合Navier-Stokes方程的数学模型,采用经典的有限元方法数值求解接触线问题。因相场方法在固壁表面具有扩散长度,完美地规避了应力奇异性问题。通过自适应网格技术,不仅解决了接触线的跨尺度问题,同时提高了粗糙壁面的解析精度。此外,本文开展了实验观测和理论推导,对接触线的失稳做了进一步的探究。本文主要研究了接触线在具有粗糙壁面上的动力学行为,相应的研究内容分为以下三个方面:1)小毛细数下接触线在球体表面的运动研究了球体入水问题,首先着重探讨了球体表面浸润性、We数和Bo数对空腔形貌、接触线锚定特性的影响。研究表明空腔结构随着We数和Bo数的变化存在四种形态。空腔产生后,接触线最终锚定于稍高于球体赤道上的位置,并通过Rayleigh-Besant方程理论求解了界面的发展,得出液体的粘性效应仅仅存在于接触线附近。同时为了得到稳定的气膜用于研究其动力学行为,人为的增加气相粘性,数值结果表明气膜的生存时间与气液粘性比满足线性关系;速度和时间归一化后,得到接触线锚定前在球体表面的运动速度和时间的幂律关系UMCL∝Tc(-1?2),且此关系并不受气液粘性比的影响。最后采用毛细-惯性平衡假设验证了接触线速度和时间的标度率。2)小毛细数下接触线在几何粗糙表面的运动特性研究了接触线在具有几何沟壑周期性分布管道内的流动规律,基于粗糙度的几何特性推导出液体是否润湿到沟壑中的经验公式并通过数值模拟验证了其正确性。在Wenzel态和Cassie-Baxter态下,分别研究了接触线在粗糙表面的运动特性。结果显示接触线和表观接触角在两种状态下均具有周期性振荡特性,且振荡周期由入口速度、沟壑间距和宽度决定,而与沟壑深度无关。在Wenzel态下表观接触角的振幅与沟壑深度成反比,建立力学模型分析探究得到表观接触角振荡幅值的大小和界面的表面积成反比,此外接触线在沟壑上整体呈现出“锚定-滑移”特性。而Cassie-Baxter态中表观接触角振幅与沟壑深度无关,接触线具有“锚定-跳跃-滑移”特性。通过与光滑表面上接触线的动力学行为特性对比,从宏观尺度上通过等效滑移长度和等效接触角建立了光滑壁面和粗糙壁面的等价模型。最后分析了沟壑的几何尺寸和不同几何结构的粗糙度对接触线的定性影响。3)小毛细数下接触线在粗糙表面的失稳特性研究通过实验观测、润滑理论分析和数值模拟探究了平板垂直入水过程中接触线在粗糙表面的失稳行为。发现不单只有液相粘性起作用,气相粘性的作用在其中也至关重要。一般情况下,粗糙度的存在会导致润湿失败提前发生,即在更小的毛细数下出现接触线失稳现象。实验发现前进接触角小于中性角的硅片,其临界毛细数不受浸润性的影响。在测试的粘性范围R=5×10-5-10-2内,临界毛细数和气液粘性比的幂律关系恒满足CaC~(μgl-2/3且不受粗糙度的影响。通过实验、理论和数值结果的对比,建立光滑平板和粗糙平板在接触线失稳条件下的等效模型。通过接触线在光滑和粗糙表面的运动以及接触线失稳时的特性研究,提出了浸润特性的转换准则和微观参数的计算方法。同时此法则可以拓展到接触线失稳情况。
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