《含接觸角遲滯的格子Boltzmann方法及其在液滴模擬中的套用》是依託重慶大學，由黃軍傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：含接觸角遲滯的格子Boltzmann方法及其在液滴模擬中的套用
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：黃軍傑
- 依託單位：重慶大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
接觸角遲滯（CAH）是液滴在固體表面常見的現象，低毛細數下對液滴的形態和運動起重要作用。已有模擬液滴的格子Boltzmann方法（LBM）中尚未包含CAH模型。本項目擬發展含CAH模型的新型LBM，並將其用於研究壁面附近的液滴。具體包括：將CAH模型加入基於相場的LBM，開發含CAH模型、適用較寬參數（如密度比和粘性比、毛細數等）範圍的二維、軸對稱及三維LBM程式；研究CAH對液滴和接觸線運動的影響及有CAH時各參數的影響；針對壁面浸潤性梯度驅動的液滴，研究有CAH時如何最優控制壁面浸潤性以實現對其的快速輸運；在LBM框架內比較不同CAH模型或模擬的研究和相關理論及實驗結果，闡明其之間的關係、各自的適用性和優缺點。含CAH的液滴模擬屬多相流模擬的前沿課題，引入CAH後的LBM可更準確模擬實際情形下液滴在基底上的運動，為重要套用如微流體晶片上的生化分析等提供更具價值的參考。
結題摘要
自然界很多現象及一些新興技術如數位化微流體系統等都包含液滴在固體表面的運動。當尺度變小時，表面張力的作用愈加明顯，固壁性質對流動影響越大。由於固壁的非均勻性而產生的接觸角遲滯現象也成為一個重要影響因素。本項目主要發展了含接觸角遲滯的格子Boltzmann方法及相關程式，具體使用格子Boltzmann方法模擬流體動力學，通過直接求解Cahn-Hilliard方程處理界面運動，採用幾何浸潤邊界條件以準確實現給定接觸角，引入並實施了一種接觸角遲滯模型[Ding和Spelt, JFM, 2008]，開發出了相關二維、軸對稱及三維計算程式，並用於模擬相關問題中液滴的運動。有關程式用於計算二維分層Poiseuille流動、具有給定浸潤性梯度的管道中液柱的運動、有接觸角遲滯的表面上附著的受體積力作用的液滴的平衡、有接觸角遲滯的壁面上受剪下力作用的液滴的變形以及具有階梯式浸潤性梯度的壁面上扁平液滴的運動等問題，得到和已知解析解或其他數值解相吻合的結果。本項目還對二維液滴在具有階梯式浸潤性梯度和接觸角遲滯的表面上的運動進行了深入細緻的數值模擬研究，發現穩態運動的液滴形狀為兩段圓弧的組合，分別對應兩個顯接觸角，如採用Yue等人[JFM, 2010]給出的相場模擬中滑移長度關係，則這兩個顯接觸角與接觸線速度及由浸潤性梯度和接觸角遲滯所給出的兩個壁面接觸角之間滿足Cox[JFM, 1986]推導出的理論關係。該發現對認識此類液滴的運動特徵有重要意義。此外，本項目還比較研究了基於相場的二元流體模擬中五種浸潤性邊界條件，並結合實施接觸角遲滯時的邊界條件，提出了一種可以和各種邊界條件相結合的新的混合邊界條件，可以摹擬壁面能的鬆弛並控制接觸線滑移的程度；當採用適當的混合權重時，可顯著提高數值模擬和實驗測量結果的吻合度。該方法簡單而且易實現，對於進一步準確高效地模擬各種實際含接觸線的兩相流問題具有重要參考價值。
