不混溶液体表面上液滴的动力学特性

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一种液滴在另一种不混溶液体表面上的铺展受到了广泛关注,并在各个领域得到了应用。了解这种现象对于涂料和润滑技术、灭火、石油回收、泄漏清理和污染控制等众多应用具有重要意义。前人研究多集中在实验方面,或只考虑某一单一影响因素,尚缺乏理论上的深刻认识。为此,本文通过数值模拟研究了上层液滴外形以及铺展半径的时间演化规律,以及蒸发、重力、毛细力和Marangoni效应之间的耦合作用对接触角、铺展半径、温度场和界面几何形状的影响,主要内容如下:
  (1)针对不混溶受热液体表面上蒸发液滴的铺展动力学过程,基于润滑理论推导出了液-气和液-液界面的演化方程组。采用数值模拟方法,探究了蒸发液滴的动力学特性。结果表明,蒸发液滴的演化过程分为两个阶段:由“铺展主导”的液滴前进阶段和由“蒸发主导”的持续脉动振荡的后退阶段。液滴的接触线首先在液体基底表面前进,在液滴到达最大接触直径后由于蒸发而逐渐后退。液滴在低粘度比下的流动性更强,导致铺展更加迅速,粘度比的增加会导致铺展和收缩速率的降低。蒸发通过影响液滴界面的温度分布进而影响表面张力以及液滴铺展。液滴在蒸发过程中接触线后移,最大液滴厚度和体积逐渐减小。液滴和液体基底受到温度梯度的影响,导致表面张力梯度驱动液滴变形和铺展。由于热毛细力的作用,液滴分子总是向高界面张力区域迁移,其特征表现为接触角、铺展半径和液滴高度的变化。相较于固体表面液滴蒸发出现的钉扎现象,蒸发液滴在不混溶液体表面上的铺展是非钉扎的,并且伴有液体基底的明显变形。
  (2)研究了自润湿流体液滴在倾斜的不混溶液体表面上的动力学特性,以及毛细力、热毛细力和重力之间的相互作用。结果表明,当界面张力敏感系数Σ11>0时,Marangoni应力作用方向与重力方向相反,从而向上拉伸液滴并降低铺展速度,液滴整体上移;当Σ11<0时,Marangoni应力作用方向与重力方向相同,从而促进液滴铺展并增加铺展速度,液滴整体下移。倾斜角增加导致液滴铺展速度增加,液滴因此变得更加扁平,接触角减小的速度也越快。邦德数增大,同一时刻下左侧液体基底高度h1∞逐渐小于右侧h1∞,液滴向右铺展的越快,且液滴向下伸入液体基底越深。液体基底升高,液体基底上层流体不再受到固体壁面粘滞力的影响,左侧液体在重力作用下流向右侧,导致左侧h1∞降低,右侧h1∞升高。
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