【摘 要】
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近年来,微结构表面润湿性受到了广泛关注。通过构筑表面微观结构可增强表面润湿性,形成超疏水、超亲水表面,因此,在生活、医药、微生物研究以及微机电系统等领域都有着广泛应用。但微结构表面的流固相互作用十分复杂,对表面制备的精度及其微结构间的浸润观测手段要求十分严苛,实验条件往往难以准确观测其表面的浸润效应,因此,借助数值计算方法对流体浸润行为的研究有着重要的理论指导意义。格子Boltzmann方法是通过
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近年来,微结构表面润湿性受到了广泛关注。通过构筑表面微观结构可增强表面润湿性,形成超疏水、超亲水表面,因此,在生活、医药、微生物研究以及微机电系统等领域都有着广泛应用。但微结构表面的流固相互作用十分复杂,对表面制备的精度及其微结构间的浸润观测手段要求十分严苛,实验条件往往难以准确观测其表面的浸润效应,因此,借助数值计算方法对流体浸润行为的研究有着重要的理论指导意义。格子Boltzmann方法是通过离散化的流体分布函数来进行介观下流体的流动、碰撞过程的流体数值模拟方法,兼具宏观流体力学和微观分子学两者的优点的同时,有着边界条件易于实施、并行性优良和编程简易的特点,已经被广泛的应用与流体运动和处理工程问题中。本文借助格子Boltzmann伪势模型研究了液滴在微结构表面的浸润过程。研究主要内容为:1.采用格子Boltzmann伪势模型构建了单组分多相流LBGK模型液滴模型,在势函数中引入热力学P-R状态方程以扩大两相流体密度比以满足实际要求,修正流-流相互作用力,将Zeng和S-C相互作用力相结合的形式拟合热力学曲线,对不同流-固作用力对高密度比流体的影响进行了分析,采用新的流-固作用力防止初始振荡速度过大。2.进行模型的验证,通过不同β值的流-流相互作用力与热力学状态方程Maxwell构造下的理论解对比,确定当β=1.238时对应的模拟曲线在气相部分与理论解误差仅为2%左右,与理论值更为一致,模型满足质量守恒,经过足够时间的松弛过程后,模型的表面张力与常温(23°)下的表面张力一致,虚假速度也得到了很好的控制。计算的液滴在光滑壁面上的接触角,与实验对比一致。3.重新构造底部的边界形状,控制固体表面的本征接触角,模拟聚二甲基硅氧烷(PDMS)、钝化和非钝化硅表面在不同微结构的间距下液滴运动与接触角变化;将实验在相应表面测量的不同微结构下的液滴接触角与模拟结果进行对比,模拟与实验接触角相差小于5°,模拟结果与实验测量相符,并分析了微结构的结构参数对液滴表面浸润性的影响及微结构内液体浸润过程。
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