流体动态表面张力和流变性对相界面运动的影响

Droplet spreading and impacting on solid substrate involving important motivation of liquid-vapor interface. The motivation of interface are dominated by two key factors, surface tension and viscous force. Most of the present research focus on Newtonian fluids with constant surface tension and viscosity.In order to study how the distribution of surface tension and viscosity influence interface motivation, surfactant solution with dynamic surface tension and non-Newtonian fluids with varying viscosity were chosen to be investigated by experimental, theoretical and numerical methods. An experimental system for both droplet spreading and impacting will be established to get experimental data, such as dynamic contact angle, droplet spreading radius, the profile of interface and so on. The influence of surface tension gradient and viscosity gradient on the microscopic mass transfer near the interface and in the regime near three phase contact line will be studied. By comparing the spreading and impacting process, a couple operation mechanism of surface tension, viscous force and inertia force on the motivation of interface will be investigated. Finally, lattice Boltzmann numerical models for surfactant fluids and non-Newtonian fluids with free surface will be established to simulate the spreading and impacting processes. As described above, the mechanism of how the motivation of interface influenced by complex fluid properties would be investigated.

单个液滴在固体表面的铺展和碰撞是重要的相界面运动行为，流体的表面张力和粘性力是控制相界面运动规律的关键因素，目前对液滴铺展和碰撞规律的研究主要集中于表面张力和粘度均为常数的牛顿流体。本项目为探索动态表面张力和变粘度流体特性对相界面运动的影响，拟针对表面活性剂流体和非牛顿流体开展液滴在固体表面铺展和碰撞过程的实验、理论和模拟研究。通过开展液滴铺展和碰撞实验，获取动态接触角、最大铺展半径、液滴轮廓等宏观物理量；挖掘表面张力梯度和体相内粘度梯度对气液相界面区域和三相接触线附近区域流体微观输运行为的影响机理；对比铺展和碰撞行为的实验结果，考虑液滴碰撞过程中的惯性力，研究表面张力、粘性力和惯性力对相界面运动规律的耦合作用；并建立表面活性剂流体和非牛顿流体含自由液面的格子Boltzmann数值模型，从微观层面揭示流体动态表面张力和流变性对相界面运动规律的影响机理。

表面张力和粘度是控制气液相界面运动的关键因素。本项目针对非均匀表面张力和非均匀粘度控制的相界面运动，以表面活性剂流体和非牛顿流体为研究对象，开展实验和理论研究，揭示表面张力和流变性对相界面运动的影响，建立动态接触角随三相接触线移动速度变化的理论模型，发展格子Boltzmann数值计算方法，探讨表面张力和粘度在体相的微观分布及其对流体微观输运的影响机制。项目主要成果如下：.一、非均匀粘度对动态湿润的影响.非幂流体与牛顿流体和幂指流体具有类似的动态湿润规律。提出了表征非幂流体在接触线附近角区的“等效流变指数ne”，论证非幂流体可等效为流变指数为n的幂指流体。提出了描述纯粘性流体的动态湿润规律的统一理论模型描述。.二、 非均匀表面张力对动态湿润的影响.采用Wilhelmy吊片法研究了表面活性剂浓度、固体表面能和表面张力对含SDS甘油水溶液在中等亲水和亲水固体表面动态湿润规律的影响。发现了接触角随接触线移动速度先增大后减小的实验现象，建立了修正的分子动力学模型。.三、流体宏观流动几何形态对动态湿润的影响.采用液滴铺展法和吊片法开展纳米流体动态湿润实验研究。该流体流变性复杂，由弱剪切稀化到强剪切增稠再到强剪切稀化。实验结果表明非牛顿流体动态湿润规律明显受到流体宏观几何形状的影响。.四、格子Botlzmann方法（LBM）数值模拟.采用LBM方法分别针对流体基础热物性，牛顿流体和非牛顿流体的动态湿润过程进行模拟。首先，将比容平移后的PR状态方程引入LBM模型中，模拟了8种流体的饱和气液相密度，结果改进型PR方程对饱和液相密度的描述更接近实验结果；其次，建立了非平行平板所夹楔形空间内液柱自发运动的格子Boltzmann二维模型，计算了液柱能够自发运动至最窄端的临界静态接触角，解释了液柱的“蠕动”现象。最后，建立了非牛顿流体两相流动的格子Boltzmann模型。模拟了液滴铺展过程，模拟结果符合Tanner定律，铺展指数变化趋势符合Starov理论。.五、流动阻力对Wilhelmy吊片法测量动态接触角影响的研究. 发现流体阻力的存在使得动态接触角的测量结果偏小。通过在原力平衡方程中引入流体阻力项，提出了包含形状阻力和摩擦阻力在内的新力平衡方程。