液滴振盪變形及其與動態接觸角耦合機理

《液滴振盪變形及其與動態接觸角耦合機理》是依託大連理工大學,由陳石擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：液滴振盪變形及其與動態接觸角耦合機理
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳石

項目摘要

液滴碰撞壁面的振盪過程中，液滴的形態、自由界面、接觸角、動態接觸角、內部流場、傳熱傳質等，是微細傳遞現象研究的前沿性課題。對認識複雜的液固相間作用及熱質傳遞，發展相關的高新技術，具有重要的科學價值。本項目通過對液滴碰撞壁面後振盪過程的形態變化及動態接觸角等相關巨觀物理現象的實驗觀測，探索研究對象不同屬性所呈現出的形狀效應、界面效應、尺度效應、各種力場的耦合效應及固-液-氣相相互影響等所引起的液滴內的微細流動現象。通過對液滴振盪過程中的形態行為觀測，分析各力場對液滴巨觀與微觀行為的影響，研究發展液滴的自由表面振盪模型、動態接觸角的計算模型及它們之間相互耦合模型。探討液滴碰撞壁面振盪和動態接觸角的動力學特徵，以及它們之間相互耦合的機理，揭示其現象的物理本質並對其做出科學的描述，旨在揭示研究對象內部的非線性動力過程及其與外在形態的相互作用規律，以期能為形成基礎科學理論體系做些必要的探索。

結題摘要

本項目的宗旨，在於深入探究液滴振盪過程中涉及的振盪變形，及其與動態接觸角之間相互耦合的規律。以此為目的，採取實驗觀測，數值模擬和理論分析等研究手段，進行了相關的研究。歷時4年，項目組完成了任務書中規定的研究計畫和研究內容，完成了任務書中規定的人才培養和論文發表的計畫指標，同時，也取得了多項重要的研究成果。在實驗觀測研究方面，以高速攝影技術為核心工具，詳細地觀測了不同初始條件下，包括液滴的體積、物性、初始速度和壁面粗糙度等等，液滴撞擊水平固體壁面後的振盪變形過程，得到了大量寶貴的圖像數據。在數值模擬方面，以商業軟體FLUEN為基礎，進行了大量的數值模擬研究，對液滴振盪過程中眾多影響因素的作用機理，進行了詳細的分析探索。主要包括：壁面的粗糙結構及潤濕情況、接觸角的處理、液滴的物性、液滴的內部流場和速度分布、液滴的靜態輪廓和粘性力的作用等等。通過將模擬結果與實驗結果進行比對分析，得出了若干條定性的結論。在理論研究方面，通過對液滴微元體進行受力分析，建立了球缺形和半橢球形液滴的理論模型，並以此為基礎，進一步推導了液滴在水平壁面上振盪變形的微分方程，建立了液滴振盪的理論模型。比較明確地解釋了慣性力、粘性力、表面張力和內部壓力在液滴振盪變形過程中的作用機理。利用4階龍格-庫塔法對液滴平壁振盪的微分方程進行了求解，並將計算結果與實驗和數值模擬結果進行了詳細的對比分析，討論了液滴變形與慣性力、表面張力和內部壓力之間的相互影響關係，粘性力公式的選取，內部流場對粘性力的影響等問題，著重探討了動態接觸角的耦合方式對結果的影響，明確了日後進一步開展研究工作的具體方向。本項目對液滴振盪變形這一常見的物理過程中，各物理量所起的作用給出了明確的理論解釋，為液滴振盪過程的分析提供了一種便利的定量計算工具，為相應學科基礎理論體系的構建和框架的提升，提供了重要的學術支撐。