用晶格Boltzmann方法研究液滴蒸发中的自组装现象

With the development of the micro- and nano-technology, how to flexibly and effectively control the self-assembly process of solute particles is challenging the researches of micromanufacture and microfluidics. The investigations of coffee-ring effect show that the controlled drop evaporation can realize the self-assembly of solute particles on basement. The scheme is environment-friendly and adaptable for various simple control methods, thus gets a very wide application prospect and receives a great amount of research interests in recent years. However, several important physical mechanisms of the self-assembly in drop evaporation are still obscure, such as the deformation of colloidal monolayer membrane of drop surface layer and the influence of thermal fluctuation on moving contact lines. Therefore, it is significant to construct a credible numerical platform by which we are able to investigate the phenomenon from the theoretical viewpoint. The aim of this project is to systematically research the self-assembly phenomenon in drop evaporation through developing advanced lattice Boltzmann method and high-performance computing technology. Based on the simulations of solute particles with diverse shapes and hydrophilic properties, the project will study to control the self-assembly structure by particle anisotropies. The impact of Brownian dynamics on structuring self-assembly will be carefully analyzed and utilized by introducing thermal fluctuations into the numerical model. Combining theoretical analysis and numerical simulation, the colloidal monolayer membrane of drop surface layer will be modeled to investigate its mechanical properties. The project will explore the physical mechanism of the self-assembly in drop evaporation and seek effective methods to achieve the controlled self-assembly.

随着微纳米技术的发展，如何灵活、有效地控制溶质颗粒的自组装过程向微制造和微流体研究提出了挑战。在咖啡环效应的研究中发现，控制液滴的蒸发过程可以实现颗粒在基底上的自组装。该方法不但环保、适应性强，而且控制手段简单多样，具有广阔的应用前景，在最近几年得到了广泛关注。然而，液滴蒸发自组装过程中的一些重要的物理机制尚不明确，如液滴表面胶体单层膜的形变、热涨落影响接触线运动等，建立可靠的数值模拟平台，对该现象进行深入的理论研究十分必要。本项目拟发展介观的晶格Boltzmann方法，并借助高性能计算技术对液滴蒸发中的自组装现象进行系统的研究。通过模拟不同形状和亲疏水性的颗粒，寻求利用颗粒各向异性操控自组装结构的方法和理论；在模型中引入热涨落机制，研究颗粒的布朗动力对结构化自组装的促进作用；理论和模拟相结合，研究液滴表面胶体单层膜的力学性质；深入探索液滴蒸发自组装中的物理机制和实现可控自组装的有效方法。

液滴蒸发过程中的“咖啡环效应”为微纳米颗粒的自组装提供了新的技术手段。该方法仅依赖于流体力学原理，具有环保、适应性强、控制手段简单多样等优点，应用前景广阔。通过数值模拟方法研究液滴蒸发自组装现象，首先要研究多相流和表面润湿特性，建立可靠的液滴运动模型；然后研究颗粒与流体间的相互作用，精确地计算和控制溶质颗粒的行为。本项目采用近年发展迅速的晶格Boltzmann方法对这些问题展开了深入的研究。. 在颗粒悬浮的数值模拟中，精确的水力计算是准确刻画颗粒行为的先决条件。我们深入分析了流体与边界的相互作用，提出了具有伽利略不变性的、边界形状无关的水力计算方法。该方法得到了计算流体力学领域的关注，同行专家评价该方法物理清楚、计算简单、精确可靠，并将其拓展用于湍流携带颗粒运动的研究。应邀发表综述文章，全面介绍晶格Boltzmann方法研究流固耦合问题。. 数值模拟多相流存在两个主要问题，一是模型不满足热力学一致性，二是虚速度太大影响结果的精度。我们从热力学自由能理论出发，提出了充分满足热力学一致性的多相流模型。然后，引入化学势计算非理想力，更加有效地计算表面润湿性和组分间的化学反应。近期，通过折合表象建立多相流模型，将虚速度减小到了10-3以下，提高了计算精度，对于涉及接触线移动、液滴蒸发和颗粒运动的模拟研究有重要意义。基于这些研究，应邀发表了综述文章，介绍了晶格Boltzmann方法研究多相流的主流模型。. 利用这些数值模型，我们研究了液滴蒸发过程和气液界面在化学异构表面上的运动过程，分析了接触角迟滞和接触线跳跃的微观机制；研究了非圆颗粒的跨流层迁移和大量颗粒的悬浮堆积现象；研究了喷墨打印中墨滴的形成过程，通过调整墨水表面张力和喷头内壁的润湿性来提高打印质量；研究了基于Poisson-Boltzmann方程的电润湿模型，采用电场改变表面润湿性和液滴形状，并通过电润湿驱动纳米液滴运动；研究了旋转流体的二次流问题，通过壁面润湿性来调整二次流涡心的位置，以及如何加强或削弱涡旋的强度。