动态润湿过程中气体夹带现象的流动特性和机理研究

The failure in dynamic wetting leads to air entrainment and the formation of microscale air bubbles between the solid and liquid phases, which is crucial a variety of applications such as coating. While the onset of air entrainment has been extensively studied, the dynamic process and the underlying mechanism remain poorly understood. The project aims to develop a systematic method based on lubrication theory. Together with phase-field simulations and model experiments, we investigate the dynamic process of air entrainment under 2D and axisymmetric conditions and the 3D interfacial morphologies of air films, with particular attention devoted to the transient interface evolution, the saw-tooth contact line and the underlying mechanism. This study can provide a complete scenario of air entrainment under different conditions. The influences of the wettability, curvature and inclination angle of the plate on the film thickness and the critical plate speed can be quantified. It can also identify the key factors to affect air entrainment. Moreover, the saw-tooth structure of moving contact lines can be theoretically described and the mechanism for bubble generation can be clarified accordingly. The corresponding results will deepen the understanding of complex moving contact lines, and can serve as a guide for the control and utility of air entrainment in industry.

动态润湿过程中的气体夹带现象导致液体不能完全浸润固体壁面，并在固液相之间产生微尺度气泡，是制约涂层等工业技术的关键因素。虽然前人针对气体夹带现象的临界条件开展了大量工作，但是对气体夹带的动态过程和物理机理的认识还远远不够。本项目拟发展不同几何条件下的润滑理论分析方法，结合非定常相场数值模拟和模型实验，对二维和轴对称条件下的气体夹带过程、气膜三维形貌进行研究，特别关注气膜的非定常演化过程、锯齿形接触线结构和内在物理机理。通过本研究，期望给出不同几何条件下动态润湿过程中气体夹带现象的完整物理图像，量化壁面浸润性、曲率、倾角以及气液粘性比对气膜厚度、临界速度等物理量的影响，阐明影响气体夹带现象的主要物理因素，实现锯齿形接触线形态的理论描述和精确测量，揭示微尺度气泡产生的物理机理。相关成果将深化对复杂移动接触线问题的认识，同时可为气体夹带现象的控制和利用提供理论指导。

在涂层技术中，气液界面相对基底的快速运动导致气体夹带现象，所产生的气膜或者气泡会影响基底表面涂层质量。为了避免气体夹带，需要降低浸润速度，从而制约了涂层技术的生产效率。因此，需要对气体夹带问题开展系统的流体动力学机理研究。本项目围绕平板移动接触线、浸涂中的气体夹带、毛细管中的气体夹带等典型问题，开展了深入的理论、数值和实验研究，取得了系列创新性成果。相关工作不仅可以从流动特征和物理机理方面加深对气体夹带现象的认识，而且可能为涂层、打印等工业应用中控制气体夹带提供新的思路。.主要研究成果如下：.（1）对平板浸入液体产生气膜的临界条件进行了理论分析，证明了前进接触线问题和后退接触线问题数学上的等价性；通过匹配渐近展开法，获得了气膜夹带临界速度的解析表达式。.（2）系统研究了平板浸入问题中的气膜演化过程和厚度依赖关系：基于相场方法，对气膜的非定常演化进行了数值模拟，揭示了薄气膜、厚气膜等典型结构及其依赖关系；基于两相Couette模型，推导了气膜厚度的解析解，证明气膜厚度正比于毛细数的2/3次方。.（3）数值和实验研究了管道内的气体夹带现象：发现圆形毛细管内的气液驱替可能产生Taylor气泡，给出了气泡产生的临界条件和长度变化关系；方形毛细管中除了会产生Taylor气泡外，还会在内角产生液丝。.（4）模拟了平板提拉导致液膜产生的三维动态过程，建立了临界条件与平板边缘导致的三维效应之间的关联。.（5）分析了圆球表面的液膜在重力作用下的演化过程；在润滑理论框架下，揭示了液膜演化过程中的复杂界面形态和动态行为，理论给出了各区域液膜厚度满足的标度律。.