《流體動態表面張力和流變性對相界面運動的影響》是依託清華大學，由閔琪擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：流體動態表面張力和流變性對相界面運動的影響
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：閔琪
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
單個液滴在固體表面的鋪展和碰撞是重要的相界面運動行為，流體的表面張力和粘性力是控制相界面運動規律的關鍵因素，目前對液滴鋪展和碰撞規律的研究主要集中於表面張力和粘度均為常數的牛頓流體。本項目為探索動態表面張力和變粘度流體特性對相界面運動的影響，擬針對表面活性劑流體和非牛頓流體開展液滴在固體表面鋪展和碰撞過程的實驗、理論和模擬研究。通過開展液滴鋪展和碰撞實驗，獲取動態接觸角、最大鋪展半徑、液滴輪廓等巨觀物理量；挖掘表面張力梯度和體相內粘度梯度對氣液相界面區域和三相接觸線附近區域流體微觀輸運行為的影響機理；對比鋪展和碰撞行為的實驗結果，考慮液滴碰撞過程中的慣性力，研究表面張力、粘性力和慣性力對相界面運動規律的耦合作用；並建立表面活性劑流體和非牛頓流體含自由液面的格子Boltzmann數值模型，從微觀層面揭示流體動態表面張力和流變性對相界面運動規律的影響機理。
結題摘要
表面張力和粘度是控制氣液相界面運動的關鍵因素。本項目針對非均勻表面張力和非均勻粘度控制的相界面運動，以表面活性劑流體和非牛頓流體為研究對象，開展實驗和理論研究，揭示表面張力和流變性對相界面運動的影響，建立動態接觸角隨三相接觸線移動速度變化的理論模型，發展格子Boltzmann數值計算方法，探討表面張力和粘度在體相的微觀分布及其對流體微觀輸運的影響機制。項目主要成果如下： 一、非均勻粘度對動態濕潤的影響 非冪流體與牛頓流體和冪指流體具有類似的動態濕潤規律。提出了表征非冪流體在接觸線附近角區的“等效流變指數ne”，論證非冪流體可等效為流變指數為n的冪指流體。提出了描述純粘性流體的動態濕潤規律的統一理論模型描述。 二、 非均勻表面張力對動態濕潤的影響 採用Wilhelmy吊片法研究了表面活性劑濃度、固體表面能和表面張力對含SDS甘油水溶液在中等親水和親水固體表面動態濕潤規律的影響。發現了接觸角隨接觸線移動速度先增大後減小的實驗現象，建立了修正的分子動力學模型。 三、流體巨觀流動幾何形態對動態濕潤的影響 採用液滴鋪展法和吊片法開展納米流體動態濕潤實驗研究。該流體流變性複雜，由弱剪下稀化到強剪下增稠再到強剪下稀化。實驗結果表明非牛頓流體動態濕潤規律明顯受到流體巨觀幾何形狀的影響。 四、格子Botlzmann方法（LBM）數值模擬 採用LBM方法分別針對流體基礎熱物性，牛頓流體和非牛頓流體的動態濕潤過程進行模擬。首先，將比容平移後的PR狀態方程引入LBM模型中，模擬了8種流體的飽和氣液相密度，結果改進型PR方程對飽和液相密度的描述更接近實驗結果；其次，建立了非平行平板所夾楔形空間內液柱自發運動的格子Boltzmann二維模型，計算了液柱能夠自發運動至最窄端的臨界靜態接觸角，解釋了液柱的“蠕動”現象。最後，建立了非牛頓流體兩相流動的格子Boltzmann模型。模擬了液滴鋪展過程，模擬結果符合Tanner定律，鋪展指數變化趨勢符合Starov理論。 五、流動阻力對Wilhelmy吊片法測量動態接觸角影響的研究發現流體阻力的存在使得動態接觸角的測量結果偏小。通過在原力平衡方程中引入流體阻力項，提出了包含形狀阻力和摩擦阻力在內的新力平衡方程。
