牛顿流体和纯粘性非牛顿流体在微结构表面上的“多重接触线”移动机理

Multiple contact line will be formed when liquid contact with a micro-structure solid substrate. Micro contact line will appear in every micro structural unit. The movement of all micro contact lines decided the movement law of apparent contact line. The moving mechanisms of micro contact line and macro contact line are closely related to each other. The biggest difference between macro and micro contact line is the scale difference and the shape. In this project, a multiple experiment system containing sessile drop method, Wilhelmy plate method, capillary method and capillary rise method will be established. Several kinds of micro-structure surface and smooth surface with different geometry will be made to quantitatively study the influence of scale effect and contact line shape effect. Newtonian fluids and non-Newtonian fluids will be both selected as experimental sample to analyze the coupling effect of the non-Newtonian behavior and shape of contact line. The moving mechanism of micro contact line will be revealed. A universal theoretical model to describe the dynamic contact angle will be established, which considered the scale effect, the shape of contact line effect, and the non-Newtonian behavior effect. The universal model will be introduced into VOF simulation model to simulate the dynamic wetting process on microstructure substrate, and to predict the apparent contact angle. Lattice Boltzmann mothod will be developed to study the microscopic machanism. Contrast experiments on microstructure substrate will be operated. The comparison result will be used to improve the theoretical model.

流体在微结构表面会形成“多重接触线”，即每个微结构内均会形成微观接触线。微观接触线的共同移动决定了表观接触线的移动规律。微观接触线的移动机理与光滑表面上宏观接触线的移动机理密切相关，两者差别主要是尺度和接触线形状不同。本项目拟建立包括液滴铺展法、吊片法、毛细管法、微毛细管上升法等的多元动态湿润实验系统，设计制备微结构表面和多种形状的光滑固体表面，定量探索尺度效应和接触线形状对动态湿润的影响；同时开展牛顿流体和纯粘性非牛顿流体的动态湿润实验，研究粘性耗散与接触线形状之间的耦合作用关系；揭示微结构表面多重接触线的移动机理，建立考虑尺度效应、接触线形状、流体非牛顿性的普适性动态湿润理论模型；开发该模型与VOF相结合的流体计算模拟方法，同时发展格子Boltzmann介观模拟方法，探明微结构表面流体体相和微观局部的输运机制，预测表观动态接触角随表观接触线移动的规律，开展微结构表面动态湿润实验进行对比研究，对比结果将用于进一步完善理论模型。

动态湿润过程在自然界和人类生产生活中广泛存在。三相接触线在动态湿润过程中发挥重要的控制作用，而目前对三相接触线控制动态湿润的机理研究大多停留在定性探讨阶段。本项目以三相接触线的形状、尺度为脉络，采用理论分析、实验和数值模拟等多种手段，深入研究了一系列牛顿与幂律型非牛顿流体在光滑平表面、光滑弯曲表面和微纳结构固体表面上的动态湿润规律。. 本项目在传统吊片法实验装置的基础上设计了可同步测量动态接触角的光学实验装置，发现原力学测量方法在吊片厚度不可忽略且测量速度较高时存在系统性测量偏差，故提出考虑迎面阻力和粘性阻力的新力学平衡方程；本项目定量开展了毫米尺度下三相接触线曲率对牛顿和幂律型非牛顿流体动态湿润影响的液滴铺展和吊片法实验研究，推导出含曲率变量的幂律型非牛顿流体动态湿润方程，揭示三相接触线曲率对非牛顿流体动态湿润的影响机理；本项目采用吊片法进一步探讨局部为微米级波纹状的三相接触线对牛顿和幂律型非牛顿流体动态湿润的影响，运用分子动理论，揭示了退湿过程中液体分子跳跃间距的变化机理。. 本项目通过一种尖锐界面的宏观建模方法，量化了液滴在平坦固体表面上撞击过程中的关键物理参数（铺展因子，液膜厚度以及回缩率），探索了润湿性，流体物性和基材形貌对液滴自发铺展初期的影响。该建模方法通过采用分离压力的概念来避免施加接触角边界条件，研究表明，该方法模拟在微观结构表面上的动态润湿过程具有高可靠性和高效率。基于相场法，模拟了多种流体撞击球面的物理过程，揭示了球面曲率对铺展因子和液膜厚度的影响机理。此外，该项目还通过使用Lattice-Boltzmann方法阐明双凹型微结构表面的几何参数如何影响液滴的润湿性和润湿状态。