液滴振荡变形及其与动态接触角耦合机理

The shape, free interface, contact angle, dynamic contact angle, internal flow field, heat and mass transfer, etc., are front subjects of micro transport phenomena in the oscillating process of droplets after impacting on the solid surface, which have an important scientific value to understand the complicated solid-liquid interaction and heat & mass transfer, and develop the related high technology. The project studies the shape effect, the interface effect, the scale effect and coupling effect of the various force field presented by different properties of the objects and the internal micro flow phenomena of droplets caused by three phases interaction by observing the shape variation, the dynamic contact angle and the related macro physics phenomena during the oscillating process of droplets after impacting on the solid surface, and analyses the effect of the various force fields on macro behavior and micro behavior of droplets, develops the droplet model for free surface oscillation, the dynamic contact angle and the coupling between them, and investigates the dynamical features of the oscillation process, the dynamic contact angle and the coupling mechanism between them by observing the droplet shapes and behaviors. The objective of the project is to shows the physical nature and makes the scientific description of the phenomena and presents the internal nonlinear dynamic process of the object and its interaction rules with the external shapes. The project hopes to do some necessary researches for basic science theory systems.

液滴碰撞壁面的振荡过程中，液滴的形态、自由界面、接触角、动态接触角、内部流场、传热传质等，是微细传递现象研究的前沿性课题。对认识复杂的液固相间作用及热质传递，发展相关的高新技术，具有重要的科学价值。本项目通过对液滴碰撞壁面后振荡过程的形态变化及动态接触角等相关宏观物理现象的实验观测，探索研究对象不同属性所呈现出的形状效应、界面效应、尺度效应、各种力场的耦合效应及固-液-气相相互影响等所引起的液滴内的微细流动现象。通过对液滴振荡过程中的形态行为观测，分析各力场对液滴宏观与微观行为的影响，研究发展液滴的自由表面振荡模型、动态接触角的计算模型及它们之间相互耦合模型。探讨液滴碰撞壁面振荡和动态接触角的动力学特征，以及它们之间相互耦合的机理，揭示其现象的物理本质并对其做出科学的描述，旨在揭示研究对象内部的非线性动力过程及其与外在形态的相互作用规律，以期能为形成基础科学理论体系做些必要的探索。

本项目的宗旨，在于深入探究液滴振荡过程中涉及的振荡变形，及其与动态接触角之间相互耦合的规律。以此为目的，采取实验观测，数值模拟和理论分析等研究手段，进行了相关的研究。历时4年，项目组完成了任务书中规定的研究计划和研究内容，完成了任务书中规定的人才培养和论文发表的计划指标，同时，也取得了多项重要的研究成果。在实验观测研究方面，以高速摄影技术为核心工具，详细地观测了不同初始条件下，包括液滴的体积、物性、初始速度和壁面粗糙度等等，液滴撞击水平固体壁面后的振荡变形过程，得到了大量宝贵的图像数据。在数值模拟方面，以商业软件FLUEN为基础，进行了大量的数值模拟研究，对液滴振荡过程中众多影响因素的作用机理，进行了详细的分析探索。主要包括：壁面的粗糙结构及润湿情况、接触角的处理、液滴的物性、液滴的内部流场和速度分布、液滴的静态轮廓和粘性力的作用等等。通过将模拟结果与实验结果进行比对分析，得出了若干条定性的结论。在理论研究方面，通过对液滴微元体进行受力分析，建立了球缺形和半椭球形液滴的理论模型，并以此为基础，进一步推导了液滴在水平壁面上振荡变形的微分方程，建立了液滴振荡的理论模型。比较明确地解释了惯性力、粘性力、表面张力和内部压力在液滴振荡变形过程中的作用机理。利用4阶龙格-库塔法对液滴平壁振荡的微分方程进行了求解，并将计算结果与实验和数值模拟结果进行了详细的对比分析，讨论了液滴变形与惯性力、表面张力和内部压力之间的相互影响关系，粘性力公式的选取，内部流场对粘性力的影响等问题，着重探讨了动态接触角的耦合方式对结果的影响，明确了日后进一步开展研究工作的具体方向。本项目对液滴振荡变形这一常见的物理过程中，各物理量所起的作用给出了明确的理论解释，为液滴振荡过程的分析提供了一种便利的定量计算工具，为相应学科基础理论体系的构建和框架的提升，提供了重要的学术支撑。