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液滴撞击固体表面现象是自然界和工程技术领域中的一种常见现象,详细研究液滴撞击固体表面的动力学行为对研究这些自然现象和工业技术的发展起着至关重要的作用。在用传统的数值模拟方法研究液滴撞击固体表面现象时,面临着一个难题,即很难准确地追踪相界面的位置。
格子Boltzmann方法是近几十年来发展迅速的一种计算流体力学新方法,由于它的微观特性,它可以方便地描述不同相之间的相互作用,使之在模拟复杂流动问题上具有常规方法所没有的优势。本文使用的是Shan和Chen提出的伪势模型,该模型可以自动追踪相界面的运动,相的分离是自动实现的,并且边界处理比较简单,因此计算效率大大提高,可以用于模拟复杂的多相流问题。
为了证明格子Boltzmann方法对于流体数值计算的可行性,我们首先建立了单相格子Boltzmann模型,模拟了二维方腔流和poiseuille流。在此基础上,我们建立了两相格子Boltzmann伪势模型,通过对两个液滴的粘合过程进行数值模拟,验证了该模型在两相流方面应用的准确性。然后应用该两相模型分别模拟了液滴撞击水平壁面和倾斜壁面的动力学行为,详细分析了液滴在壁面上的流动状态,研究了壁面特性、撞击速度、撞击角、液滴粘度以及表面张力对撞击过程的影响。
结果表明:当液滴撞击水平壁面时,流动是对称性的,但是当液滴撞击倾斜壁面时,流动是非对称性的。壁面的可润湿性对液滴的流动状态有着很大的影响。在液滴的铺展阶段,撞击速度对液滴撞击水平壁面和倾斜壁面的影响是相同的,即撞击速度越大,液滴的最大铺展直径越大,铺展速度越快。对于液滴撞击水平壁面的情况,液滴的回缩速度随着撞击速度的增大而增大。对于液滴撞击倾斜壁面的情况,在We数相同的条件下,撞击角越小,液滴的最终铺展程度越大,铺展速度越快,但是在撞击初期,液滴的铺展程度随着撞击角的减小而减小。在其它条件不变的情况下,粘度越小,液滴的最大铺展直径越大。表面张力在液滴的铺展阶段对液滴没有影响,但是在回缩阶段,表面张力越大,液滴的回缩速度越快。