非定常薄膜流动稳定性及表面活性剂影响特性研究

薄膜流动在工业中有广泛的应用，本研究以理论分析和数值模拟为手段，探索在非定常振荡激励、多层流体和表面（界面）活性剂等因素共同作用下，平板表面的单层和多层薄膜流动的线性和非线性稳定性问题。主要研究内容包括：基于理论分析，研究双层振荡流动的Floquet线性稳定性特征，探讨两个自由界面相互作用导致的失稳形式，并揭示其内在的物理机制；研究表面活性剂诱导的Marangoni效应对振荡双层薄膜流动稳定性特征的影响，揭示其作用规律；对单、多层振荡薄膜流动的扰动发展进行弱非线性分析，探讨可能存在的波动形式；发展模拟带多个自由面流动的多相流高效算法，开展这类流动问题的数值模拟；基于数值计算，研究单层和多层震荡薄膜流动不稳定扰动特征模态由线性到非线性阶段的演化过程，揭示非线性阶段复杂的界面动力学行为。相关研究成果不但可以深化人们对薄膜流动稳定性的认识，也可为工业领域提供理论指导和技术支持。

本项目围绕带有移动三相接触线的多尺度复杂薄膜流动（包括两相界面流动和自由面流动）开展了深入的理论和数值模拟研究，在基本理论、流动现象和物理机理方面都取得了系列成果。所涉及的研究对象不仅包括两相Couette流动等流体力学领域关注的基础模型问题，还包括镀膜等具有工业应用价值的实际问题。部分成果发表在流体力学领域的国际顶级杂志Journal of Fluid Mechanics和Physical Review E上。本项目主要取得了如下三方面研究成果：.（1）研究了平面两相Couette流动的润湿转换条件，分别探讨了气—液和液—液两种情况；基于润滑理论，推到了液膜厚度满足的动力学方程，并采用渐近匹配方法进行了求解；给出了表观接触角的合理定义，重新证明在气—液系统中临界表观接触角为零的条件，解决了Couette流动转换判据与经典结果不一致的矛盾；得到了润湿转换发生的临界速度显式解析解，具有迄今为止最为简化的形式，并与数值结果吻合；揭示了润湿转换的内在机理，其产生原因是：接触线附近的流动內解与外解不匹配导致定常界面无法维持。.（2）采用相场方法，对不完全浸润平板的提拉镀膜问题进行了数值模拟，再现了四种不同的流动区域：定常弯月面、厚液膜、厚—薄液膜共存、连续液膜，从而完整描述了该问题的丰富物理图像；首次数值上给出薄、厚液膜过渡的临界条件，并提出了预测临界条件的理论方法；证明液膜首次出现时表观接触角为零，验证了润滑理论的有效性，提出实验中观测到的提前转换现象来源于三维效应的观点。.（3）研究了倾斜移动接触线的动力学行为，首次对接触线法向速度恒定假设进行了理论检验；证明接触线速度会随着倾角增加缓慢减小，并通过机理分析，给出了速度变化的近似关系式；发现触线倾斜会导致切线方向上的流体通量，其通量密度集中在接触线附近；给出了无量纲体积通量的尺度关系，与润滑方程的精确数值解完全一致。