部分浸润平板拉涂过程中的液膜生成和形态研究

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平板拉涂问题广泛存在于自然界和工程领域之中,由于涉及与移动接触线相关的多尺度特性,此类问题的研究仍具有挑战性。对平板拉涂的物理机制的研究具有重要学术意义和工业应用前景。本文采用数值模拟、润滑理论和实验,对平板提拉镀膜这一经典的润湿转化问题进行了研究。本研究主要内容包括:  ⑴数值研究了部分浸润平板从液体中拉出时的液膜生成和形态转换问题。随着平板速度的增加,依次发现根据液膜界面形态划分的四个流动区域:Ⅰ)静态弧形液面;Ⅱ)厚液膜,通过一个颈口与水平液面连接;Ⅲ)薄液膜与厚液膜共存;Ⅳ)厚度连续变化的液膜。数值给出了区域Ⅰ中接触线高度与提拉速度的关系,证明液膜产生时对应的表观接触角为零。区域Ⅱ、Ⅲ中的厚液膜的厚度与平板提拉速度无关,而薄液膜即为经典的Landau-Levich-Derjaguin液膜,随提拉速度增加而变厚。研究了厚液膜、厚液膜下端颈口以及薄液膜的厚度与平板提拉速度之间的关系;发现区域Ⅱ向区域Ⅲ转换时液膜厚度的变化具有不连续性。通过润滑理论分别研究了厚液膜、颈口结构和毛细间断的轮廓,均与数值结果符合。理论证明区域Ⅱ、Ⅲ之间的转换是由颈口结构的失稳导致。在某些参数范围内,可能存在多个颈口解的分支,这些分支通过一系列分叉点连接。只有一个分支可以在数值模拟中出现,对应的分叉点即为区域Ⅱ、Ⅲ之间的边界。  ⑵研究了梯形和三角形外形的液膜动力学问题,主要关注侧面部分的倾斜接触线。首先,在倾斜接触线位置的坐标系下推导得到了润滑方程,然后分析了其附近的法向和切向流动。结果表明,倾斜接触线相对平板的法向速度Can随倾角φ的增大而单调减小,与前人实验观测中认为法向速度保持为常数的结论不符合。其原因是Can-φ依赖关系较弱,在实验中较难测量。同时,倾斜接触线会产生切向流量,并且切向流量只在靠近接触线附近存在。  ⑶对平板拉涂问题进行了实验研究。实验发现一旦在平板表面形成液膜,接触线相对平板的速度并不恒为常数,而是依赖于平板的宽度。同时,测量了由于平板边缘效应产生的倾斜接触线的夹角与提拉速度的关系,实验结果与前人符合较好。最后,研究了三角形液膜的尾迹结构,发现与倾斜壁面上的滑落液滴类似,尾部会出现锥形结构和小液滴脱落的现象。
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