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液膜在固体表面的流动问题是流体力学研究方向的分支之一,其应用于化工、航空航天和生物医药等诸多领域,并具有潜在的应用前景。当厚度低于100nm的薄液膜表面存在扰动波时,分离压中的引力将使扰动程度放大,在固体表面形成凹凸不平的网状结构,该过程称为去润湿现象(简称去湿现象)。影响去湿过程的因素除了分离压,还包括Marangoni效应、毛细效应、滑移尺度等诸多因素;当考虑表面活性剂影响时,还与活性剂浓度、扩散系数及活性剂浓度对分离压的影响等因素有关。本文通过数学建模和数值模拟的方法,讨论了不同情形下的液膜去湿特性和稳定性,主要内容如下:
(1)详细阐述了去湿现象的不同形成机理,着重考察了由分离压诱导的去湿—spinodal去湿。针对表面活性剂均匀及局部分布在液膜表面的情形,模拟了初始存在微小扰动下薄液膜在分离压作用下的去湿过程,分析了Marangoni数、毛细力数、滑移系数等对演化过程的影响。
(2)考虑到表面活性剂的离子吸附作用对液膜静电斥力的影响,建立了同时考虑范德华力、Born斥力和静电斥力的分离压模型,针对初始厚度均匀且局部沉积活性剂的情形进行了模拟,全面分析了该分离压模型中的各项作用力在液膜演化中的作用。
(3)基于非模态稳定性理论,将本文所建分离压模型代入控制方程,推导出包含分离压模型影响的液膜厚度和活性剂浓度的基态及扰动态演化方程组,通过计算演化过程中的扰动能量放大比和扰动增长率,考察了各参数对去湿过程稳定性的影响。