分离压对不同基底上含活性剂液滴铺展特征的影响

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材料物理学中的液滴研究

材料物理学中的液滴研究液滴是一种独特的物态，它既具有流体的特性，又具有固体的形态。

在材料科学中，液滴研究成为了一个热门领域，对于探究材料性质和制备新型材料有着重要意义。

液滴研究不仅具有基础性的学术意义，还具有广泛的工业应用价值，如纳米材料制备、微流控芯片、医学诊疗等领域。

本文将介绍材料物理学中的液滴研究相关内容。

1. 液滴的物理性质液滴的物理性质包括表面张力、表面能、粘度等，这些性质影响着液滴的形态、稳定性和运动行为。

表面张力是指在液滴表面单位长度上所需要的能量。

液滴表面的分子之间相互作用力会导致表面形成张力，该张力使得液滴表面趋向于最小化表面积。

液滴的表面张力大小取决于液体的性质和温度等因素。

当液滴与固体表面接触时，表面张力能够使液滴变为球形，从而减小了表面积，提高了稳定性。

表面能是指在液滴表面所需能量的总和。

表面能是表面张力的一种更广义的描述，它还包括固体表面张力和液体表面张力等。

表面能与液滴的化学成分、表面形态等有关。

通过对不同液滴表面能的测量，可以了解液滴化学成分、表面形态变化等信息。

粘度是液体阻碍流动的特性，与液滴的形态、稳定性和行为密切相关。

液体的粘度大小取决于液体的物理性质和温度等因素。

粘度大小一般与液體的黏度直接挂钩，黏度越小则流动性更好就越接近理想的牛顿流体。

2. 液滴与固体表面作用液滴与固体表面的作用常常被用来探究液滴的性质。

在液滴与固体表面接触时，液滴会收缩成为球形，这是因为液体表面张力使得液体表面趋向最小，而固体表面也具有表面张力，因此液滴表面会在固体表面上形成一个与之匹配的凸起。

除此之外，当液滴在固体表面上滑行或滚动时，会出现浸润现象，即液滴周围表面形成的一个凹形或凸形的水平区域。

浸润现象与液滴表面能、固体表面性质等因素有关，是探究液滴与固体表面作用的重要方法之一。

3. 液滴的形态和稳定性液滴的形态和稳定性对于材料研究和应用有着至关重要的作用。

液滴稳定性受到表面张力、液体粘度、液滴形态等多种因素的影响。

电场驱动下液滴的动力学特性研究

微纳尺度流体在电场中的流动过程及动力学特性的研究是学科交叉的研究热点之一。

随所研究液滴尺度的减小，电场中表面张力的变化将对流体的流动过程及动力学特性产生重要影响。

电场对液滴聚并过程影响的研究也具有极大的应用潜力。

本文采用理论推导和数值计算相结合的方法，基于润滑理论和漏介电质模型，针对两极板间导电液滴的运动过程，建立了电场作用下两极板间液滴铺展和聚并的演化模型，采用PEDCOL程序模拟并研究了在不同底部电势影响下导电液滴的运动特征和聚并过程，主要包括以下内容：(1)两极板间的液滴铺展过程不仅与电势类型有关，还与因电场作用下改变的表面张力有关，表面张力比例系数对液滴运动过程的影响总趋势大体相同，但最大液膜厚度和铺展半径的变化速率明显不同。

施加均匀电势和线性电势时，并不改变液滴铺展的抛物线外形，随比例系数增大，液滴铺展加快；施加非线性电势时，液膜中心出现的凹坑时间也随之变长，减小破断可能性；通过施加指数形式电势时可控制液滴的破裂过程；液滴铺展过程中，受表面张力变化影响最大的是线性电势，最小的为指数电势。

(2)电场对两液滴的聚并过程产生抑制作用，不同电势类型对液滴聚并过程产生的影响并不相同。

线性底部电势的影响主要呈现为促使两液滴整体偏移，抑制液滴聚并，聚并形成“主液滴”受电场影响继续“拱起”；波状电势中电场力影响增大，聚并过程受抑制，甚至不发生聚并。

并发现通过改变电场参数可以控制液滴聚并过程。

关键词：液滴；电场；铺展；聚并The dynamic characteristics of the micro-and nanoscale fluid in electric field attracts much attention.With the decrease of the droplet size,the effects of the various surface tension of fluid and the coalescence of the droplet in electric field receive extensive concern.The combination of theoretical deduction and numerical simulation is adopted in this research.Evolution and coalescence model of fluid induced by electric field was established basing on leaky dielectric model.PEDCOL code was utilized to simulate the dynamics and coalescence of a conductive droplet in the presence of diverse electric fields,mainly includes the following contents:(1)The spreading of droplets between two plate electrodes is not only related to electric potential type,also related to change under the action of surface tension due to electric field.The influence of the proportion coefficient of surface tension on the droplet movement process is approximately same while the maximum thickness of liquid film and spreading radius variation rate are obviously different.Exerting uniform and linear electric potential does not alter the parabolic shape of spreading droplet.With the increase of the proportion coefficient,the droplet spreading is accelerated.Under the condition of nonlinear electric potential,the appearance time of indentation at liquid film center tends to be longer,the breakage possibility is decreased.Rupture process of a droplet can be controlled by applying exponential electric potential.The greatest impact of the variation of surface tension on the process of a droplet spreading is linear potential, and the least impact is exponential potential.(2)The coalescence process of two droplets produce is inhibited by electric field. The influence of different potential on the droplet coalescence process is not the same.The influence of the linear electric potential is mainly appear as the promotion of the overall migration of the two droplets and inhibition of the coalescence of the droplets. The droplets in electric field gather and form a main droplet,which is similar in shape of a arch.The electric field force in undulating electric potential influence increases then the coalescence process is inhibited even the droplets do not coalesce into one main drop.It embody that by changing the parameters of the electric field can control the droplet coalescence process.Keywords:droplet;electric field;spreading;coalescence摘要 (I)Abstract (I)主要符号表 (I)第1章绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2研究现状 (2)1.2.1表面张力 (2)1.2.2液滴聚并 (3)1.3研究内容 (4)第2章表面张力对电场作用下液滴运动特性影响 (6)2.1引言 (6)2.2理论模型 (6)2.3演化方程组推导 (7)2.4数值模拟初始和边界条件 (9)2.5液滴动力学特性研究 (10)2.5.1线性电势 (10)2.5.2非线性电势 (16)2.5.3不同电势下比例系数对特征参数的影响 (20)2.6本章小结 (20)第3章不同电场对液滴聚并动力特性影响研究 (22)3.1引言 (22)3.2理论模型 (22)3.3控制方程 (23)3.4不受电场作用时两液滴聚并过程 (24)3.5不同类型电场作用时两液滴聚并过程 (25)3.5.1线性底部电势 (25)3.5.2余弦电势 (31)3.5.3指数电势 (34)3.6本章小结 (37)第4章结论与展望 (38)4.1结论 (38)攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果 (43)致谢 (44)C：电毛细力数；E：电场强度；H*：液滴特征厚度；*bH：预置液膜厚度；h：液膜/液滴厚度；I：单位张量；*k：基底波数；L*：流动方向尺度；n*：界面处的单位法线矢量；p*：压强；q*：量纲为1的界面电荷密度；q：液滴界面电荷密度；T*：液体的应力张量；t*：界面处的单位切线矢量；t：时间；u*：有量纲速度矢量；u：x方向速度分量；u s：气液界面处x方向速度分量；w：z方向速度分量；w s：气液界面处z方向速度分量；x*：沿水平流动方向坐标；y*：沿展向方向坐标；z*：垂直流动方向坐标；β：量纲为1电极板间距*∇：哈密尔顿算子；*2∇：拉普拉斯算子；Λ*：分离压；ε0：自由空间介电常数ε1：气体介电常数ε2：液体介电常数∈：一阶小量，即∈=H*/L*<<1；Φ：底部电势；γ：溶液表面张力；λ：界面平均曲率；μ*：溶液动力粘度；ρ*：溶液密度；如无特殊说明，同一物理量，具有上标“*”时表示有量纲量，否则为无量纲量。

不同液膜体系中Marangoni效应对活性剂液滴铺展的影响

性剂溶液施加横向扰动时的稳定性，发现增强Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力会加速液膜变薄，并探讨了与均匀活性剂铺展不
发生振荡现象．Ｒｏｎｇｙ和Ｗｉｔ对于含有溶质的薄溶液毛细流动现象，发现在正负两种体系中，液膜前沿都
会形成前移的旋涡，但正效应有利于促进旋涡的运动，而负效应则起阻碍作用．在含活性剂的液膜铺展研究领域，有关Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应的研究已开展很多．Ｙｅｏ等在考虑流体粘性基础上研究了两液滴的局部引流，发现Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应具有诱发引流破断的作用．Ｗａｒｎｅｒ等分析了非均匀活
第３Ｏ卷第５期２０１３年９月
计
算
物
理
Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．５Ｓｅｐ．，２０１３
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＭＰＵＴＡＴＩＯＮＡＬＰＨＹＳＩＣＳ
文章编号：１００１ — ２４６Ｘ（２０１３）０５－０６８３．０９
不同液膜体系中Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应对活性剂液滴铺展的影响
叶学民，姜凯，李春曦
（华北电力大学，电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，保定０７１００３）
摘要：针对含可溶性表面活性剂的液滴在预置液膜上的铺展过程，应用润滑理论建立液滴厚度、活性剂表面浓度及内部浓度演化过程的控制方程组，采用ＰＤＥＣＯＬ程序模拟液滴的演化特征，探讨不同液膜体系下Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应的作用机理，并基于瞬态增长法分析负体系下液滴演化的不稳定性．研究表明，正体系下Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应可促进活性剂分子扩散，有利于活性剂液滴的稳定铺展；负体系下Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应则抑制液滴铺展，使液滴在中心区域产生振荡现象，呈现不稳定性特征，且该特征随负效应增强而愈加明显．在正负两种体系下，Ｍａｒａｎｇｏｎｉ作用力均是促使

表面活性剂溶液铺展过程中的分离压特性

叶学民，李春曦，曹罕，刘文权
（．１华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定０１０；２７０３．中国电能成套设备有限公司，北京１０１）００１摘要：铺展液膜与预置液膜间的分离压效应是影响铺展或去湿过程的重要因素之一。基于表面活性剂特性对引力和斥力的不同影响，建立了分离压和自由能密度理论模型，导出了最小分离压和最小自由能密
响，取ｈｘｈ＝１５ｏ／ｐ．。
０可得，
Ｆ＝（／： … ｈ）
（）２
图１离子型和非离子型两种表面活性剂溶为
压不仅与活性剂种类和特性有关，而且还与预置
液膜厚度有关，不同性质的分离压可能加速铺１分离压模型展过程或导致去湿现象的发生。目前，采用的分离压模型大都未计及活性剂
箸～）（）（］１）
体铺展过程中的影响。对于表面活性剂浓度对式中：系数Ａ和Ｆ为与表面活性剂有关的函数；分离压的影响，Ｏｒ考虑了对斥力的作用，并ｍａ仅假设其影响为一简单的线性关系，在此基础上模
第２８卷第５期
２１０２年５月
电
力
科
学
与
工
程
Ｖｏ１２８．．．Ｎｏ５Ｍａ，０１ｙ．２２
２１
ＥｌｃｒｃＰｗｅｃｅｃｎｎｉｅｒｎｅｔｉｏｒＳｉｎｅａｄＥｇｎｅｇｉ

活性剂溶液铺展过程和动力学特性的研究进展

性剂替代疗法。
０引Байду номын сангаас言
表面活性剂之所以能得到广泛应用是因为表
面活性剂能够吸附在各种表面上，在大量的溶液表面活性剂是一类即使在浓度很低时也能显中缔合并且形成胶束结构，表面活性剂的作用来著降低溶液表（）面张力的物质，当含有活性界自于它们在不同界面处的吸附以及由此带来的界剂的液滴或溶液放置在固体表面或预置液膜表面面张力的改变。形成胶束是表面活性剂的重要上，液滴或溶液将出现铺展（湿）或憎水（润去性质之一，也是产生增溶、乳化、洗涤、分散和。湿）现象。表面活性剂通过改变物系的界面状态絮凝等作用的根本原因Ｊ向原溶液中添加表面进而影响铺展、润湿及黏附等过程，该过程广泛活性剂可有效降低原液体的表面张力，改变其润应用于食品、石油化工、医药和生物领域。湿特性。表面活性剂的这种独特性质在油井作业如乳状液在食品制备的应用，固体泡沫的加工、
ｔｉｏｉｒｓｒｂｔｅｎｓｒａｉｇｆｍｗｔｐｅｅｅｌｔｅｈｏｅｃｌｄｌｎｖｌｉｑａｏｓｆｌｈｄｓｉｎｐｅｓｅｅｅｐｅｄｎｌｉｒｗｔｄｆｍ，ｈｅｒｔａｍｏｅａｄｅｏｔｎｅｕｔｎｍｅｊｎｇｕｗｉｈｔｉｔｉｕｏｉｏｆｉ

含活性剂液滴铺展过程中的指进特征

关键词：活性剂液滴；铺展；指进现象；功率谱中圈分类号：０３６３：ＴＱ０２１文献标识码：Ａ文章编号：１００７— ２６９１（２０１６）０５— ００７５一Ｏ８
ＦｉｎｇｅｒｉｎｇＦｅａｔｕｒｅＤｕｒｉｎｇＤｒｏｐｌｅｔＳｐｒｅａｄｉｎｇＣｏｎｔａｉｎｉｎｇＩｎｓｏｌｕｂｌｅ
ｔｈｅｉｎｇｆｅｉｎｒｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｐｒｅａｄｉｎｇｏｆａｄｒｏｐｌｅｔｗｉｔｈｉｎｓｏｌｕｂｌｅｓｕｒｆａｃｔａｎｔｓｏｎｐｒｅｃｕｒｓｏｒｉｌｆｍｉｓｒｅｃｒｅａｔｅｄｂｙｎｕｍｅｉｃｒａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｓｏｆｉｎｆｇｅｒｌｅｎｇｔｈａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｆｇｅｒｓａｒｅｅｘａｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｐｅｃ・ｔｒｕｍｏｆｔｈｅｉｌｆｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄｔｈｅｍｏｓｔｕｎｓｔａｂｌｅｗａｖｅｎｕｍｂｅｒｉｓｆｏｕｎｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｆｎｇｅｒｓ

液滴碰撞不同尺寸固壁铺展特性研究

㊀第３９卷第１期杭州电子科技大学学报(自然科学版)V o l ．３９N o ．１㊀㊀２０１９年１月J o u r n a l o f H a n g z h o u D i a n z i U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e s )J a n ．２０１９㊀D O I :１０．１３９５４/j．c n k i ．h d u ．２０１９．０１．０１６液滴碰撞不同尺寸固壁铺展特性研究秦㊀缘,王关晴,黄雪峰,徐江荣(杭州电子科技大学能源研究所,浙江杭州３００１８)收稿日期:２０１８Ｇ０１Ｇ２４基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y １５E ０６０００７)作者简介:秦缘(１９９２－),男,研究方向:液滴动力学.E Ｇm a i l :q i n y u a n ４５＠o u t l o o k ．c o m .通信作者:王关晴,副教授,研究方向:液滴动力学.E Ｇm a i l :g q w a n g＠h d u ．e d u ．c n .摘要:对液滴碰撞冷固体壁面的铺展特性展开研究,采用微小压力驱动注射器产生液滴,利用高速摄像机捕捉碰撞动态过程,观察液滴碰撞固体壁面的动态铺展过程,并分析固壁尺寸变化对液滴碰撞后铺展形态㊁铺展直径㊁及铺展因子的影响.结果表明:壁面尺寸对液滴碰撞固壁的铺展形态有重要影响.随固体壁面尺寸减小,碰撞后液滴达到的最大铺展直径逐渐减小,最大铺展时间亦减少,最大铺展因子逐渐降低,但当碰撞壁面尺寸小于碰撞液滴直径后,液滴会被直接刺穿,铺展形态过程消失.关键词:液滴;碰撞;铺展;铺展因子中图分类号:T Q ０２８．８㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:１００１Ｇ９１４６(２０１９)０１Ｇ００８６Ｇ０５０㊀引㊀言液滴碰撞是液滴动力学的基本内容,液滴碰撞现象不仅广泛应用于工业生产中,而且针对碰撞特性的研究,对能源㊁动力及航空等领域的深入发展具有重要意义[１].早在１８７６年,A．M．W o r t h i n g t o n [２]就对液滴撞击固体壁面的现象进行了研究.近年来,国内外学者对于液滴碰撞固体壁面的研究逐渐深入,在数值模拟方面,主要是分析碰撞初始速度㊁碰撞角度㊁三相接触角等因素[３Ｇ８]对液滴碰撞固体壁面后的形态与特性的影响.但是,绝大部分仍将研究重点放在实验研究方面,毕菲菲等[９]对液滴撞击固壁的铺展特性展开研究,发现液滴粘性对铺展过程起决定性作用,而表面张力对铺展后液层的回缩过程起主导作用.李栋等[１０]对液滴撞击冷表面的动态特性进行了观测,对比研究了液滴撞击普通及超疏水冷表面的动力学特性.V．B e r t o l a [１１]对聚合物液滴撞击固体壁面的浸润特性展开研究,比较了普通水液滴与聚合物液滴撞击固体壁面的不同动态特性.C h a n g Y．W．等[１２]研究了去离子水液滴撞击５种不同自组份分子层表面的形态变化特性,分析了对最大铺展链长的影响.L i a n g G．等[１３]对３０％体积分数的甘油水球形液滴撞击球形基座上的半球形水液滴的形态特性进行实验研究,分析了韦伯数W e ㊁雷诺数R e ㊁及液滴曲率对所形成的环形薄液层的直径的影响.J ．B ．L e e 等[１４]对液滴撞击具有气孔石头表面动态过程进行研究,着重研究了碰撞过程中接触角,最大铺展范围,及液滴对石头气孔浸润能力,分析了碰撞速度㊁W e ㊁撞击表面等因素对最大铺展范围的影响.综上所述,研究者主要是对液滴种类㊁碰撞角度㊁碰撞高度㊁表面粗糙度等因素对液滴碰撞铺展特性进行了研究,有关液滴碰撞过程中壁面尺寸变化影响的研究较少,且有关壁面尺寸对碰撞动态铺展过程与影响机理尚不明确.因此,本文研究分析液滴碰撞固体壁面铺展过程的动态特性,探讨固体壁面尺寸变化对液滴碰撞铺展过程中的最大铺展直径㊁铺展因子及达到最大铺展时间的影响,为深入研究液滴碰撞与动力学特性提供基础.１㊀实验系统及方法图１㊀实验系统实验系统如图１所示,系统由光源㊁支架㊁注射器㊁微型蠕动泵㊁液滴㊁固壁㊁高速摄像机㊁计算机组成.实验在常温大气压环境下进行,固体壁面为干燥壁面,在实验前均进行了干燥处理.实验工质为蒸馏水,温度为２５ħ,表面张力系数σ为７．２０ˑ１０－２N /m ,粘性系数η为０．８９３ˑ１０－３P a /s ,密度ρ为９９８k g /m ３.撞击平台为正六边形铁平台.高速摄像机为V i s i o nR e s e a r c h 公司的M I R O M ３１０型,实验使用帧率为１００００F P S ,像素为３２０ˑ２４０P i x e l ,采用单色氙灯作为背景光源,网络数据线传输图像至计算机,利用图像MA T L A B 等图像处理软件分析处理获得的图像数据.采用微型蠕动泵驱动施加给注射器微小压力,使液滴在针头上聚积,当液滴达到一定尺度时,脱离针头自由落下.由于每次液滴在脱离针头自由下落时,严格意义上讲,液滴直径并非完全相等,存在一定差异,为了便于统一分析与对比,引入液壁相对尺度与铺展因子的概念,液壁相对尺度β定义为壁面尺寸D 与液滴直径d 之比(β＝D /d ),铺展因子φ定义为铺展直径l 与液滴直径d 之比(φ＝l /d ).同时,为描述与反映液滴碰撞过程的动态与形态变化,将本文中影响液滴碰撞过程的主要因素归纳为无量纲数,用韦伯数W e (W e ＝ρv ２d /σ)与雷诺数R e (R e ＝ρv d /η)来表示.其中,ρ为液滴密度,v 为碰撞速度,σ为液滴张力系数,η为液滴粘性系数.２㊀结果分析与讨论２．１㊀液滴碰撞固壁铺展动态过程液滴从壁面上方１６c m 处自由下落,碰撞瞬间速度为１．７７１m /s ,液滴直径为２．６４m m ,W e ＝１１５,R e ＝５２２５,液滴碰撞壁面的动态铺展过程如图２所示.图２(a ) (b )中,当液滴向壁面运动接触壁面,接触部分发生变形,但是液滴上半部分仍保持球形,该过程为惯性阶段;图２(c ) (f )中,当液滴接触表面后,液滴下部液体开始迅速向周围铺展,上部液体继续向下运动,加速液体向外铺展,达到最大铺展,中间部分液体形成较薄的一层液膜,而四周外环处,则有环状凸起结构,该过程为射流阶段;图２(g ) (i )中,液层开始回缩,边缘液体向中心靠拢,液滴回缩成中心隆起的液层,该过程为驰豫阶段;图２(j ) (l )中,随着时间增加,液滴在铺展与回缩的过程中反复震荡,经过几次铺展与回缩之后,达到平衡状态,该过程为平衡阶段.图２㊀液滴碰撞固壁铺展动态过程２．２㊀壁面尺寸对铺展形态的影响液滴均从壁面上方１６c m 处自由下落,碰撞速度为１．７７１m /s .其中,液滴直径d ＝(２．６０ʃ０．１０)m m ,D 为壁面尺寸(六边形柱面两平行边垂直距离),韦伯数W e ＝１１３ʃ２,雷诺数R e ＝５１５０ʃ１５０,l m a x 为最大铺展直径,t 为时间.图３为液滴碰撞不同尺寸壁面的碰撞瞬间㊁最大铺展与稳定状态.７８第１期秦缘,等:液滴碰撞不同尺寸固壁铺展特性研究图３㊀液滴碰撞不同尺寸壁面的碰撞瞬间、最大铺展与稳定状态㊀㊀图３(a )中,液壁相对尺度为１１．３６,壁面远大于液滴直径,最大铺展因子为３．２３１,液滴在最大铺展时也未超出壁面边界,因此,壁面对碰撞过程几乎没有影响;图３(b )中,液壁相对尺度为２．２０７,壁面尺寸略大于液滴直径,最大铺展因子为２．６４４,液滴最大铺展范围已经超出壁面边界,超出部分液层受到重力影响下降,但因为液层表面张力的束缚,液层仍能回缩至壁面范围内,同样在经过几次铺展与回缩之后达到平衡状态;图３(c )中,液壁相对尺度为０．９８８,壁面尺寸与液滴尺寸相近,最大铺展因子为２．７４６,铺展范围是壁面直径的２．７８倍,在液滴碰撞铺展初期,液滴铺展初期液层就超出固壁边界范围,之后液膜离开壁面形成空间液膜,受重力影响向下运动,形成裙摆状结构,由于超出边界的液层较多,重力影响较大,突破表面张力的束缚,液层不能回缩至壁面边界范围内,最终沿着垂直壁面下滑;图３(d )中,液壁相对尺度为０．５９９,壁面尺寸小于液滴直径,在碰撞过程中,液滴几乎观察不到铺展过程,在碰撞后,壁面突破液滴表面张力,将液滴刺穿,大部分液体沿着壁面下滑,仅剩少部分液体停留在壁面上,在碰撞期间液滴最大横向尺寸为３．２００m m ,与液滴初始直径之比为１．１９９.图４㊀液壁相对尺度与铺展因子液壁相对尺度变化与最大铺展因子变化如图４所示.可以看出,当液壁相对尺度大于最大铺展因子时,液滴最大铺展范围未超出壁面边界,壁面尺寸对液滴铺展过程的影响较小,可以忽略;当液壁相对尺度小于最大铺展因子时,铺展范围超出壁面边界,重力的影响开始增加,重力的影响未突破表面张力束缚时,液层仍能回缩至壁面范围内,突破表面张力束缚后,液层不能回缩至壁面范围内,形成裙摆状结构,最后超出部分沿壁面下滑.液壁相对尺度小于１时,壁面尺寸已经小于液滴直径,当液壁相对尺度减小到一定值后,液滴碰撞固体后几乎不出现铺展过程,而是呈现出被壁面刺穿的现象.２．３㊀壁面尺寸对铺展直径、铺展因子及达到最大铺展时间的影响图５㊀液滴碰撞不同尺寸壁面铺展范围变化图５为图３中(a ) (c )的碰撞过程中０~７m s 内铺展直径的变化,由图５可知,在液滴铺展的运动阶段与射流阶段,铺展直径变化的规律相似,但随着壁面尺寸的减小,液滴铺展直径随之减小.液滴碰撞不同尺寸壁面最大铺展范围与最大铺展因子变化过程如图６所示.可以看出,在其他条件一定的情况下,随着壁面尺寸的减小,液滴最大铺展直径与最大铺展因子逐渐减小,且在壁面稍大于液滴的情况下,壁面尺寸对最大铺展直径的影响较大,使８８杭州电子科技大学学报(自然科学版)２０１９年得铺展因子较小;在壁面尺寸与液滴直径相近的情况下,壁面尺寸的影响稍微减小,最大铺展因子有所增加;当壁面尺寸小到一定程度时,液滴碰撞壁面后几乎不发生铺展,而是呈现出液滴被壁面刺穿的形态,最大铺展因子较小.液滴碰撞不同尺寸壁面后达到最大铺展所用时间如图７所示.可以看出,随着壁面尺寸的减小,最大铺展范围与最大铺展因子逐渐减小,达到最大铺展所需时间也逐渐减少.图６㊀液滴碰撞达到的最大铺展㊀㊀范围与铺展因子㊀㊀㊀㊀㊀图７㊀液滴碰撞不同尺寸壁面到达㊀㊀最大铺展所需时间３㊀结束语本文对液滴碰撞不同尺寸固体壁面的铺展特性进行了实验研究.液滴碰撞固体壁面的铺展动态过程分为明显惯性㊁射流㊁驰豫㊁平衡４个阶段;壁面尺寸对液滴碰撞固体壁面过程有着重要的影响,直接影响碰撞后液滴的形态变化㊁最大铺展范围㊁铺展因子及到达最大铺展时间.因此,在研究液滴碰撞有限固体壁面时,壁面尺寸的影响不容忽略.参考文献[１]施其明,贾志海,林琪焱．液滴撞击微结构疏水表面的动态特性[J ]．化工进展．２０１６,３５(１２):３８１８Ｇ３８２４．[２]WO R T H I N G T O N A M．O nt h ef o r m sa s s u m e db y d r o p so f l i q u i d sf a l l i n g v e r t i c a l l y onah o r i z o n t a l p l a t e [J ]．P r o c e e d i n g s o f t h eR o y a l S o c i e t y o fL o n d o n ,１８７６,２５(１７１/１７８):２６１Ｇ２７２．[３]沈胜强,李燕,郭亚丽．液滴撞击等温固体平壁的数值模拟[J 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t a t i cd r o p l o c a t e do n s p h e r e s [J ]．E x pe r i m e n t a lT h e r m a l&F l u i dS c i e n c e ,２０１４,５３(２):２４４Ｇ２５０．９８第１期秦缘,等:液滴碰撞不同尺寸固壁铺展特性研究０９杭州电子科技大学学报(自然科学版)２０１９年[１４]L E EJB,D E R OM ED,C A R M E L I E TJ．D r o p i m p a c t o nn a t u r a l p o r o u s s t o n e s[J]．J o u r n a l o fC o l l o i d&I n t e r f a c e S c i e n c e,２０１６,４６９(４):１４７Ｇ１５６．S p r e a d i n g o fD r o p l e t I m p a c t i n g o nV a r i o u s S i z e S o l i dS u r f a c eQ I N Y u a n,WA N G G u a n q i n g,HU A N G X u e f e n g,X UJ i a n g r o n g(I n s t i t u t e o f E n e r g y,H a n g z h o uD i a n z iU n i v e r s i t y,H a n g z h o uZ h e j i a n g３１００１８,C h i n a)A b s t r a c t:T h e s p r e a d i n g o f t h ed r o p l e t i m p a c t i n g o nt h ed i f f e r e n t s i z e s o l i ds u r f a c ew a s i n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l y．T h e d r o p l e tw a s g e n e r a t e db y t h em e d i c a lm i c r oＧi n j e c t o r．T h e h i g hＧs p e e d c a m e r aw a s u s e d t o c a t c h t h ed y n a m i c p r o c e s s e so f t h ed r o p l e t i m p a c t i n g．T h ed y n a m i c s p r e a d i n gp r o c e s so f t h e d r o p l e t i m p a c t i n g w a s a n a l y z e d i nd e t a i l．T h e i n f l u e n c e o f t h e i m p a c t i n g s u r f a c e s i z e o n t h e s p r e a d i n g f o r m,m a x i m u m s p r e a d i n g r a n g ea n ds p r e a d i n g f a c t o r w e r ed i s c u s s e d．T h er e s u l t ss h o w t h a tt h e s u r f a c es i z eh a s g r e a ti n f l u e n c eo ns p r e a d i n g f o r m．A st h es u r f a c es i z ed e c r e a s e,t h e m a x i m u m s p r e a d i n g r a n g ew h i c ha l o n g w i t ht h es p r e a d i n g f a c t o r g r a d u a l l y d e c r e a s e．T h e n,t h ec o r r e s p o n d i n g t i m eo fr e a c ht h e m a x i m u m s p r e a d i n g r a n g e g e ts h o r t e r．W h e nt h es u r f a c es i z eo ft h ei m p a c t i n g r e d u c e s l e s s t h a nt h ed i a m e t e ro fd r o p l e t,t h es p r e a d i n gp r o c e s sw i l ld i s a p p e a r,a n dt h ed r o p l e t i s p e n e t r a t e d．K e y w o r d s:d r o p l e t;i m p a c t i n g;s p r e a d i n g;s p r e a d i n g f a c t o r(上接第８５页)[６]吴越华,夏钟福,安振连,等．恒流电晕充电对聚四氟乙烯多孔薄膜驻极体驻极态的影响[J]．物理学报,２００４,５３(９):３１４６Ｇ３１５１．[７]徐福东,朱桐华,欧阳毅．带栅电晕极化法对驻极体表面电位及其均匀性的控制[J]．电声技术,１９８４(５):４７．[８]Q I U X L．S i g n i f i c a n t e n h a n c e m e n t o f t h ec h a r g i n g e f f i c i e n c y i nt h ec a v i t i e so f f e r r o e l e c t r e t s t h r o u g h g a se x c h a n g e d u r i n g c h a r g i n g[J]．A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s,２０１６,１０９(２２):２２２９０３．[９]Q I U XL,M E L L I N G E R A,G E R HA R DR．I n f l u e n c e o f g a s p r e s s u r e i n t h e v o i d s d u r i n g c h a r g i n g o n t h e p i e z o e l e cＧt r i c i t y o f f e r r o e l e c t r e t s[J]．A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s,２００８,９２(５):０５２９０１．[１０]Q I U XL,W I R G E S W,G E R HA R DR．T h e r m a l p o l i n g o f f e r r o e l e c t r e t s:H o wd o e s t h e g a s t e m p e r a t u r e i n f l u e n c ed ie l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e s i n c a v i t i e s[J]．A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s,２０１６,１０８(２５):２５２９０１．S t u d y o n t h e I n f l u e n c e o fP o l a r i z a t i o n M o d e o nE l e c t r o s t a t i cF i e l d P e r f o r m a n c e o f S a n d w i c hC o m p o s i t eE l e c t r e t F i l mZ HU X u a n,C H E N G a n g j i n,L IC h a o,Z H A N G Q i n g h e,P E N G H u i l i(L a b o r a t o r y o f E l e c t r e t a n dA p p l i c a t i o n,H a n g z h o uD i a n z iU n i v e r s i t y,H a n g z h o uZ h e j i a n g３１００１８,C h i n a) A b s t r a c t:B a s e do nt h es i n g l e p o l a r i z a t i o n m o d e l e a d st ot h e p r o b l e m so nf a s ta t t e n u a t i o na n dl o w c h a r g ed e n s i t y o nt h es u r f a c eo fs a n d w i c hc o m p o s i t ee l e c t r e t m e m b r a n e．A c o m p o u n d p o l a r i z a t i o n s c h e m e o f c o r o n aＧt h e r m a lＧc o r o n a w a s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r．T h r o u g hm o n i t o r i n g o f s u r f a c e p o t e nＧt i a l d i s t r i b u t i o n a n d s t a b i l i t y,i t c o m p a r e d t h e e f f e c t s o f s i n g l e p o l a r i z a t i o nm o d ew i t h c o m p o s i t e p o l a rＧi z a t i o nm o d e o n t h e p e r f o r m a n c eo f c o m p o s i t e e l e c t r e t f i l m．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e s a m p l eo f t h e c o r o n aＧt h e r m a lＧc o r o n a c o m p o u n d p o l a r i z a t i o n s u r f a c e p o t e n t i a l s t a b l e a t－１４００Va f t e r３００h s t o rＧa g e,c o m b i n e dw i t h t h e l o n gＧt e r mo b s e r v a t i o no f t h e c o m p o s i t e e l e c t r e t f i l ms u r f a c eu n i f o r m i t y,i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e s t a b l e p o t e n t i a l a n d t h e u n i f o r m i t y o f t h e c o m p o s i t e p o l a r i z a t i o nm e t h o d a r e s u p e r iＧo r t o t h e s i n g l e p o l a r i z a t i o nm e t h o d．K e y w o r d s:e l e c t r e t s;t h e r m a l p o l a r i z a t i o n;c o r o n a p o l a r i z a t i o n;u n i f o r m i t y。

电场作用下表面张力对液滴运动特征的影响

纳米技术领域
，液滴运动与控制
是其中极
为重要的方面，而表面张力是影响、甚至是控制微纳尺寸下液滴铺展与变形运动的关键因素。在
表面张力的影响，限于实验精度和实验设计法中取得许多积极成果，并
涌现出多种新的测量方法。基于液滴重量法，Ｗａｔａｎａｂｅ等测量了水油界面张力，发现增大电场强度可降低表面张力，而改变电场极性并不影响表面张力。类似地，Ｍｏｒｉｍｏｔｏ和Ｓａｈｅｋｉ测量了真空中油滴的表面张力，指出油滴质量随电场
第３２卷第１１期
２０１６年１１月
电
力
科
学
与
工
程
Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．１１
ＮＯＶ．，２０１６
ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
电场作用下表面张力对液滴运动特征的影响
中图分类号：０３６１；ＴＱ０２１文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２— ０７９２．２０１６．１１．０１２
１０％ＮａＣ１溶液的表面张力并无明显影响，但因实

分离压作用下表面活性剂溶液的铺展特性研究

摘要摘要含有表面活性剂的液滴放置在预置液膜表面上时，液滴会出现铺展现象，表面活性剂通过改变物系的界面状态进而改变其铺展等过程，使铺展呈现复杂的指进现象和Marangoni 效应，且具有强烈的非线性特性。

当薄膜厚度小于100nm 时，此时在含有表面活性剂的液滴铺展过程中，分离压将控制液膜铺展特性，并决定液膜的稳定性和润湿性，不同的分离压效应对于液膜铺展过程起着加速或延缓的作用，并对铺展的稳定性和干斑的形成速度有着显著的影响。

本文通过结合微观分子动力学、表面胶体化学和宏观流体动力学，根据活性剂溶液的非均匀铺展特征，确定合理的非均匀铺展过程中分离压模型；基于扩散理论和边界层理论，建立分离压作用下的液膜厚度、液膜表面和溶液内部的单分子浓度的三方程理论模型，采用截面平均法和摄动法推导上述特征量在基态和扰动态下的高阶非线性偏微分演化方程组；利用PDECOL 程序对分离压模型分别为0Π=、()h ΠΠ=、(),,x xx h h h ΠΠ=下的基态方程组进行模拟，获得液膜厚度、液膜表面和溶液内单分子浓度的演化特征，分析不同分离压模型下最大液膜厚度、临界破断点和铺展前缘等铺展参数的变化，分析预置液膜与液滴厚度之比、毛细力数、吸附系数、难溶性系数等参数的影响规律；研究由分子间引力和斥力的不同作用引发的液膜加速铺展或者憎水现象，揭示不同分离压作用下液膜铺展过程的动力学特性；借助数值模拟技术，通过计算扰动能量放大比以及瞬时扰动增长率，结合非模态稳定性理论分析瞬间液膜铺展的稳定性。

本文完善了该领域的基础理论，促进了活性剂铺展过程在实际过程中的应用，并对可深入研究的方向进行了展望。

关键词：表面活性剂；铺展；分离压；理论模型；演化方程组；非模态理论华北电力大学硕士学位论文AbstractThe spreading of droplet take placed when the surfactant-laden thin liquid films in the preset film or solid substrate, which is remarkably changed with the interface variation of solutions by the effect of surfactant. The spreading of surfactant solutions demonstrates the complex fingering phenomena and Marangoni effect, with strong nonlinear characteristics.The spreading process of surfactant solutions is captured by the disjoining pressure when the film thickness is less than roughly 100nm. It plays an acceleration or delay role in the spreading with different disjoining pressure models. The disjoining pressure controls the stability and wettability of the liquid film, and influences the dry spots formation speed obviously.Firstly, a reasonable disjoining pressure model of non-uniform is suggested, combining the non-uniform spreading characteristic of surfactant solution by microscopic molecular dynamics, surface colloid chemistry and macro fluid dynamics. Secondly, the theoretical model and the nonlinear three evolution equations for the film thickness and surface and bulk surfactant concentrations are derived on the base of diffusion theory, boundary theory and lubrication theory. Lastly, the procedure of PDECOL is used to perform the numerical simulation of the evolution equations when 0Π=, ()h ΠΠ= and (,,)x xx h h h ΠΠ=, which using finite element for space discretization and Gear’s method in time. Effects of several parameters as capillary parameter, kinetic parameter and surfactant solubility on the profile of film thickness and surfactant concentrations are examined. The paper has considered the different influence of surfactant concentration on intermolecular repulsive and attractive forces. Linear stability is investigated for the evolution equation with the non-modal theory method by calculating the disturbance energy growth ratio and transient energy growth ratio. It not only improves the basic theory in the field, but also promotes the application of surfactant solutions, and the further prospects are suggested.Keywords : soluble surfactant; spreading; disjoining pressure; theoretical model;evolution equation; non-modal theory主要符号表主要符号表b ：预置液膜与液滴的厚度比；c ：溶液内单分子浓度；C：毛细力数； *s D ：表面单分子浓度扩散系数；*b D ：内部单分子浓度扩散系数；h ：液滴厚度；*H ：液滴初始厚度；*b H ：预置液膜厚度；I ：单位张量；c J Γ ：吸附通量；k ：波数；*k ：界面平均曲率；*1k ：吸附率；*2k ：解吸率；s K ：吸附参数；*L ：流动方向尺度；M ：Marangoni 相关数；*n ：界面外的单位法线矢量；p ：压强；s Pe ：气-液界面的贝克莱数；b Pe ：溶液内部的贝克莱数；Re ：雷诺数；*S ：表面压；注：上标“*”：有量纲量 t ：时间； *t ：界面处的单位切线矢量； *T ：应力张量； *u ：速度矢量； u ：x 方向速度分量； s u ：气/液界面x 方向速度； *U ：Marangoni 速度； w ：z 方向速度分量； s w ：气/液界面z 方向速度； x ：水平方向坐标； z ：垂直方向坐标； α ：协同因数； β ：难溶性系数； Γ ：活性剂的表面浓度； *m Γ ：表面浓度最大值； ∈ ：**/H L ∈=； µ∗ ：动力粘度； π ：圆周率； Π ：分离压； ρ∗ ：活性剂溶液密度； σ∗ ：表面张力； ∗τ ：剪变形张量； ∗∇ ：哈密尔顿算子 2∇ ：拉普拉斯算子；华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《分离压作用下表面活性剂溶液的铺展特性研究》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。

液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究

液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究
近年来，在液滴技术领域，研究液滴撞击固体表面铺展特性有着重要的意义。

本文以实验研究为基础，就液滴撞击固体表面铺展特性和相关技术发展状况进行深入探讨。

首先，在实验室中，对研究对象进行了蓝宝石、水晶石英、气体动力学热喷，
等介质撞击固体表面，系统研究了撞击过程带来的流变和温度场等表面铺展特性。

研究发现，当撞击速度较高的时候，水滴和表面之间的冲量会转化成表面的铺展、裂纹形成或液滴的反弹现象。

由于撞击过程物理实验条件受限，拉曼散射仪对撞击的真实情形的鉴别仍然存在困境。

其次，为了更加有效地研究液滴撞击表面的铺展特性，目前正在开发数值与试
验相结合的模型，基于此可以更好地进行撞击分析，平衡撞击时的各种场函数，研究得出表面铺展情况。

目前，各种光学与电磁学仪器采用空间分析仪对撞击物质的活性，如厚度分布、表面损伤尺寸以及撞击构象等方面进行研究，收获了良好的实验效果。

最后，在液滴撞击固体表面的铺展特性的研究中，存在诸多不足。

在今后的技
术开发中，建立多相介质流体流动模型更加准确地模拟撞击过程，提高仪器精密度，以及深入探索宏观力学和表面力学在撞击过程中的作用等方面都有待于进一步完善和发展。

综上所述，液滴撞击固体表面的铺展特性实验研究是一项复杂但重要的工作，
也是当下重要的技术发展方向之一，有望能在液滴技术发展中发挥重要作用。

液滴表面张力影响因素分析

液滴表面张力影响因素分析液滴表面张力是指液体在界面上所表现出的一种能量状态，也可以理解为液体分子与外界分子之间的相互作用力。

液滴表面张力的大小会影响液滴的形态和性质，因此对于许多领域的研究和应用都具有重要意义。

本文将对液滴表面张力的影响因素进行分析，以便更好地理解液滴行为及其应用。

液滴表面张力的影响因素有很多，主要可以分为液体性质和外部条件两个方面。

首先，液体的性质对表面张力有重要影响。

液体的分子结构、化学成分和温度等都会对表面张力产生影响。

具体而言，液体分子之间的相互作用力越强，表面张力也会越大。

例如，具有较大分子量的液体往往具有较高的表面张力。

此外，液体分子之间的极性也会影响表面张力。

极性较大的液体往往有较低的表面张力，因为在极性分子之间形成氢键等强相互作用力。

此外，温度的变化也会引起液体的表面张力变化。

一般来说，随着温度升高，液体的表面张力会降低。

其次，外部条件也会对液滴表面张力产生影响。

外部条件包括压力、环境溶质浓度和表面外力等。

首先是压力的影响。

当液滴受到外部压力时，其表面张力会增大。

这是因为外部压力会使液滴表面的液体分子更加紧密地排列，从而增强表面张力。

其次是溶质浓度的影响。

当液滴存在于溶液中时，溶液中的溶质也会对液滴表面张力产生影响。

一般情况下，当溶液中溶质浓度增加时，液滴的表面张力会降低。

最后是表面外力的影响。

外界对液滴施加的力量也会影响液滴表面张力的大小。

特别是当施加的力量超过液滴的表面张力时，液滴会破裂或形成尖峰。

除了上述主要因素之外，液滴表面弯曲、表面活性剂的存在以及表面形态等也可能对表面张力产生一定的影响。

表面弯曲是指液滴表面的曲率变化情况。

液滴曲率的变化会影响表面张力的大小，具体表现为在凸曲面上增大，在凹曲面上减小。

表面活性剂的存在也会对液滴表面张力产生显著影响。

表面活性剂通过降低液体分子之间的相互作用力，从而降低液滴的表面张力。

而液滴的表面形态，例如平坦、球形或尖峰状等，也会影响液滴表面张力的大小。

液滴铺展过程中受活性剂浓度影响的分离压模型研究

液滴铺展过程中受活性剂浓度影响的分离压模型研究
王松岭;李春曦;叶学民
【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2011(038)001
【摘要】结合已有的实验结果,通过考虑活性剂特性和浓度对分子间引力和斥力的不同影响,建立了通用的分离压理论模型,并给出了自由能密度表达式.所建模型包含了活性剂浓度Γ、毛细力数C、指数(m,n),以及预置液膜厚度h∞等因素的影响,进一步完善了分离压模型的理论研究.
【总页数】5页(P81-85)
【作者】王松岭;李春曦;叶学民
【作者单位】华北电力大学,能源动力与机械工程学院,河北,保定,071003;华北电力大学,能源动力与机械工程学院,河北,保定,071003;华北电力大学,能源动力与机械工程学院,河北,保定,071003
【正文语种】中文
【中图分类】O647;O648;TK121
【相关文献】
1.含活性剂液滴铺展过程中的指进特征 [J], 叶学民;王媛媛;李春曦
2.分离压对不同基底上含活性剂液滴铺展特征的影响 [J], 杨保才;叶学民;李春曦
3.分离压对波状基底上活性剂液滴铺展过程的影响 [J], 李春曦;杨保才;叶学民
4.温度和活性剂浓度梯度协同驱动的液滴铺展特性 [J], 王松岭;李春曦;叶学民
5.分离压作用下波纹状基底上含活性剂液滴铺展稳定性 [J], 李春曦;杨保才;叶学民
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分离压对含活性剂液膜流去湿过程的影响

分离压对含活性剂液膜流去湿过程的影响叶学民;沈雷;李春曦【摘要】For the disjoining pressure in nano-scale film flows, the influences of different type and concentration of surfactant on disjoining pressure were discussed, and a general disjoining pressure model was established including van der Waals forces, Born repulsion and electrostatic repulsion forces. The dewetting processes were simulated by the PDECOL program for an initially uniform film thickness and non- uniform surfactant concentration case. On the basis of the simulation results from the simple and complicated disjoining pressure models, the mechanisms of various components in disjoining pressure were stated. For the moderate electrostatic repulsion case, the effects of surfactant concentration on disjoining pressure and film flow stability were investigated. The results show that the disjoining pressure ignoring electrostatic repulsion forces will lead to unstable film and thus form static dewetting structures, and the effect of disjoining pressure on film stability is closely related to surfactant types and concentration associativity.%针对纳米尺度下液膜流动中分离压作用的问题,探讨了不同表面活性剂类型和活性剂浓度对分离压及其各分项的影响,由此建立了全面考虑范德华力、Born斥力及静电斥力的分离压模型.采用PDECOL程序对初始厚度均匀一致且表面局部分布活性剂的液膜去湿过程进行了数值模拟,基于分离压模型由简到繁等各形式下的模拟结果,阐明了分离压各分项因素对液膜稳定性的作用机理,着重分析了中强度静电斥力下活性剂浓度对分离压效应和液膜稳定性的影响.结果表明:忽略静电斥力时的分离压会导致液膜失稳,形成静态的去湿结构；分离压对液膜稳定性的影响与活性剂类型及活性剂浓度与静电斥力的关联强度紧密相关.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2013(047)003【总页数】6页(P96-101)【关键词】分离压模型;表面活性剂;液膜流;去湿过程【作者】叶学民;沈雷;李春曦【作者单位】华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,071003,河北保定;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,071003,河北保定;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,071003,河北保定【正文语种】中文【中图分类】TQ021;O363纳米尺度下的薄液膜流动是当前微型化电子器械及磁盘保护系统等研究中的热点问题［1－2］。

液滴在受热倾斜固体壁面上的“爬坡”特性

液滴在受热倾斜固体壁面上的“爬坡”特性李永康【摘要】为研究液滴在倾斜固体壁面上的“爬坡”特性,基于润滑理论,建立了液滴的二维演化模型,模拟了壁温分布、壁面倾角和邦德数取不同值时液滴的“爬坡”特征.结果表明:随着壁面温度梯度增大,液滴运动状态由“下坡”变为“爬坡”,且速率逐渐加快,液滴身后的薄液膜由“逆坡而上”变为“顺坡而下”,“爬坡”时刻先从无到有,后又从大到小,直至零;当温度梯度较小时,液滴左侧接触角迅速减小,而右侧接触角虽逐渐减小,但变化缓慢,而当温度梯度较大时,接触角变化规律与之相反;壁面倾角和邦德数的增大都将使液滴“爬坡”速率减慢,“单峰”结构的峰值降低,且原因类似,同时,还将使液滴覆盖范围的增速先减后增,但原因相反.【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2018(045)004【总页数】11页(P100-110)【关键词】液滴;“爬坡”;热毛细力;重力;Marangoni效应【作者】李永康【作者单位】华北电力科学研究院(西安)有限公司,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】O363;TQ0210 引言液滴微流控技术在采油、印刷、镀膜、医疗、胶片制造、矿物浮选、农业除害及磁流体材料制备等领域[1,2]中起着至关重要的作用。

因此，相关控制手段始终受到微流体领域的密切关注。

液滴在不同表面的运动规律即是液滴微流控领域密切关注的问题之一[3-5]，多年来，该问题始终是学术界的研究热点。

微纳米制造技术的发展导致液滴工作环境的表面/体积比大幅增加，使得利用表面力变化来控制液滴运动成为一种行之有效的手段[6]，许多学者在此方面进行了尝试。

Das等[7]使用一种3D计算技术模拟了液滴在倾斜壁面上的运动，指出液滴的运动状态与其体积、壁面倾斜度和润湿性梯度有关，并给出了液滴流动性分布图；Karapetsas等[8]分析了含活性剂液滴在固体壁面上的铺展特征，发现活性剂可从液滴内部和气-液界面被吸附到固体壁面，该过程对液滴铺展有重要影响；Pittoni 等[9]在实验中观察了水滴在不同表面的蒸发过程，发现当表面有缺陷、非均质时，液滴三相接触线几乎全程钉扎在原处，而当表面光滑均质时，接触线将随着蒸发进行而逐渐内缩，直至消失；Beacham等[10]模拟了含活性剂液滴在固体壁面上的铺展过程，结果表明当活性剂总量及其在基底的吸附率为中间值时，液滴的铺展速率最快；姚祎等[11]采用耗散动力学方法对液滴在粗糙表面上的运动进行了模拟，发现在不同润湿性或不同外力驱动下，存在使液滴运动最快的“最优”壁面结构；徐威等[12]研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态，指出固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同的液滴铺展速率和润湿特性；Liu等[13]在实验中研究了液滴在有方形柱阵排列的粗糙硅表面上的铺展，发现壁面润湿性随柱阵宽度增大而由Cassie状态向伪Wenzel状态转变；王宏[14]采用化学气相沉积方法制备了梯度表面能材料，实现了液滴在该表面上的自迁移，并获得了液滴运动速度、接触角的变化规律；常银霞[15]分析了上下电极板间液滴移动和分裂过程中接触角的变化、液滴的压强和速度，讨论了电极形状、电极尺寸和上下极板间隙对液滴动态过程的影响；付宇航等[16]借助伪势格子-Boltzmann方法模拟了倾斜壁面上浸润性梯度驱动液滴运动的过程，指出当增大壁面浸润性梯度时，液滴获得更快加速，其前进及后退接触角与当地静态接触角间的差值也增大；吴平[17]用实验方法详细绘制了液滴在流经突窄的小截面时的分裂相图，指出在高毛细数和韦伯数条件下，液滴更易分裂；Deng等[18]在实验中将两个液滴置于水平微通道中，并在其中一个液滴的表面覆盖一层浸润液体，通过调节界面张力使浸润层铺展到另一液滴表面，有效触发了二者融合。

液滴碰撞粗糙表面动力学模拟研究：液滴直径的影响-毕业论文

---文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印---摘要液滴撞击壁面的现象在生活中随处可见，例如喷洒农药，喷涂油漆，喷墨打印等。

影响液滴撞壁的参数有很多，包括液滴的体积，表面张力，粘度，撞击速度与角度等，表面粗糙度也是很重要的因素之一。

实际生活中的真实粗糙表面多为随机粗糙表面，因此只考虑光滑表面和规则粗糙表面的情况是不够的。

系统地研究液滴撞击粗糙表面后的铺展状态，对工业，农业等领域都有非常重要的意义。

针对液滴碰撞粗糙表面后的铺展过程，本论文利用COMSOL Multiphysics 软件，建立液滴撞壁的模型，壁面选择随机粗糙表面和规则粗糙表面两类，模拟真实液滴在粗糙表面的撞击铺展，然后使用Matlab工具对所得实验结果进行分析。

我们比较了液滴碰撞两种不同粗糙表面后的铺展系数，高度系数，平衡接触角和相对接触面积，显示随机粗糙表面比规则粗糙表面花费更长的回弹时间，各项数据也有不同，说明液滴撞壁过程不能忽视表面形貌的影响。

对于单一粗糙表面，我们仅改变初始速度，液滴平衡后的状态没有明显的不同。

本论文也进行了同时改变液滴直径和初始速度的实验研究，分析数据后发现即使韦伯数保持不变，液滴直径和速度的差别也会使实验结果存在差异。

关键词：液滴，粗糙表面，韦伯数，铺展与回缩作者：武璇指导老师：肖杰AbstractDroplets can be seen everywhere in life, such as spraying pesticides, spraying paints, inkjet printing, and the like. There are many factors that affect the process of droplet collision, including droplet volume, surface tension, viscosity, impact velocity and contactangle, etc. Surface roughness is also one of the most important factors. The actual rough surface in real life is mostly a random rough surface, so it is not enough to consider only the case of a smooth surface and a regular rough surface. It is very important to study the spreading state and parameters of droplets after they impact the rough surface.For the spreading process of droplets impacting a rough surface, this paper uses COMSOL Multiphysics software to establish a model of droplet collision surface. The random rough surface and regular rough surface are selected to simulate the spread of real droplets on the rough surface. Then use Matlab tool to analyze the experimental results.We compared the spread coefficient, height coefficient, equilibrium contact angle and equilibrium contact area after the droplet impacted on two different rough surfaces, showing that the random rough surface takes longer rebound time than the regular rough surface, and the parameters are also different. The collision of the droplets cannot ignore the influence of surface morphology. For a single rough surface, we only change the initial velocity, and the state of the droplets after the balance is not significantly different.This paper also carried out an experimental study that simultaneously changed the droplet diameter and initial velocity. After analyzing the data, it was found that even if the Weber number remains unchanged, the difference in droplet diameter and velocity will make the experimental results different.Key words: droplet, rough surface, Weber number, spreading and retraction第一章绪论1.1选题的目的及介绍液滴与固体表面的碰撞不仅是自然界非常常见的现象，也在工业，农业生产中广泛发生，如雨滴下落，农药喷洒，汽车表面喷漆等。

对流条件下环境压力对液滴蒸发的影响研究

L = Lv, rLb 1
( 13)
式中 : Lb是正常沸点温度 Tb下的蒸发潜热 ; Lv, r =
Δ Δ T , [ 01360 + 01044 | 1 - ΔT r| ] r
Tr
= Tc Tc
-
T0. Tb
3 计算求解与分析
3. 1 模拟计算的可靠性分析为保证计算结果的可靠性 , 首先分析了时间步
1
6 6 pM
2 12
[
(
v)
3 1
+(
1
v)
3 2
1
]2
( 12 )
6 式中 : v 为分子扩散体积 , 由原子扩散体积数加
·1106·
哈尔滨工程大学学报第 28卷
和求得 [ 12 ].
采用对比态法求解不同温度下液滴的汽化潜
热 [ 13 ] :
·1105·
1 物理模型与控制方程
对单组分球形等温燃料液滴的蒸发过程 ,考虑如下情况 : 1)液滴球对称蒸发 ; 2)液滴周围的环境压力远低于液滴达到临界状态所需压力 ,气体在液滴中的扩散速率与液滴蒸发速率相比很小 ,可认为气体在气液界面上的径向通量为零 ,即忽略气体的可溶性 ; 3)考虑液滴比热与汽化潜热随温度、压力变化 ,忽略液滴密度变化与内部环流影响 ; 4 )液滴表面附近的气相处于准稳态 ,满足 C lausius2Clapey2 ron方程 ; 5)不考虑热辐射效应与化学反应.
Abstract: This paper exp lores a physical and m athematical model for the evaporation of a single drop let. The effects of ambient p ressure on fuel drop let evaporation in different convective thermal environm ents was investigated using num erical m ethods. The evaporation model took account of instantaneous changes in physical p roperties of drop lets, such as fuel drop let radius, and changes in gas flow w ith changes in temperature and p ressure. The reliability of the computational p rogram was checked. Then the evaporation of an n2hep tane drop let in nitrogen gas flow was simula2 ted. Two kinds of thermal environments - weak convection and intensive convection - were considered. The results show that the effects of ambient p ressure on drop let evaporation are significantly dependent on the therm al environ2 ment. The effect of p ressure differs a lot between weak convection and intensive convection conditions. Keywords: drop let evaporation; convective therm al environment; am bient p ressure; num erical simulation.

液滴的变形与分离机制的研究

液滴的变形与分离机制的研究引言液滴是多个学科交叉研究的重要对象之一，在生物学、物理学、化学等领域都具有重要应用价值。

液滴的变形与分离机制研究是为了更好地理解液滴的行为特点，为液滴在实际应用中的控制与操纵提供基础理论支持。

本文将综述液滴的变形与分离机制的研究进展，并讨论液滴变形与分离的应用前景。

液滴的基本特性液滴作为一种离散的液体聚集体，具有以下基本特性：1.形状可变性：液滴的形状受到表面张力和容器几何形状的影响，可以在不同条件下发生形态上的变化。

2.表面张力：液滴表面张力使得液滴呈现球形或近似球形的形态。

3.自聚合性：液滴在一定条件下能够自动聚集形成更大的液滴。

4.合并与分离：液滴可以通过合并或分离与其他液滴发生相互作用。

液滴的这些基本特性决定了液滴变形和分离的机制。

下面将对液滴的变形与分离机制进行详细讨论。

液滴的变形机制液滴在受到外力作用或受到环境变化影响时，会发生形态上的变化。

液滴的变形机制主要包括：表面张力与液滴形状液滴的形状是由表面张力和外界作用力共同决定的。

当液滴受到外界作用力时，会产生形变，使得液滴形状发生改变。

液滴的形变可以通过改变外界作用力的大小和方向来实现。

液滴与固体表面的相互作用液滴与固体表面之间的相互作用对液滴的形变有重要影响。

当液滴接触到固体表面时，会受到表面张力和固体表面之间的相互作用力影响，从而产生形变。

液滴内部流体的运动液滴内部流体的运动也会导致液滴的形变。

当液滴内部存在液体流动时，会使液滴的形状发生变化。

液滴内部流体的运动可以通过外界力的作用或液滴内部的温度变化来实现。

液滴的分离机制液滴的分离机制是指液滴之间的相互作用会导致液滴分离的过程。

液滴的分离机制主要包括：表面张力与液滴合并液滴之间存在一定的表面张力，当两个液滴接触到一起时，会受到表面张力的作用。

如果两个液滴的表面张力相等或接近，会导致液滴合并。

液滴合并的机制与液滴形状和表面张力等因素有关。

外界力的作用外界力的作用也会影响液滴的分离。

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Ａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔｓｐｒｅａｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｕｎｄｅｒｄｉｓｊｏｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｒｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｄｉｓｊｏｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｍｏｄｅｌｉｎｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｅｔａｎｔ．Ｔｈｅｌｕｂｒｉ —
液膜变形；分离压作用下最小液膜高度显著上升，铺展前沿处衍生出的子波结构明显减少，铺展更加稳定；
分离压具有抑制液膜表面变形促进液滴铺展的作用。
关键词：分离压；不溶性活性剂；铺展；不同基底结构
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ＩＳＳＮ．１００７—２６９１．２０１５．０３．１１
分离压对不
杨保才，叶学民，李春曦
（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定０７１００３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｓｐｒｅａｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｎｉｎｓｏｌｕｂｌｅｓｕｒｆａｃｔａｎｔ — ｌａｄｅｎｄｒｏｐｌｅｔｏｖｅｒｔｏｐｏｇｒａｐｈｙｗｉｔｈｄｉｆｅｒｅｎｔ
ｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｗｉｔｈｏｕｔｔｈｅｒｅｇａｒｄｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｄｉｓｊｏｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｈｅｉｇｈｔｏｆｉｆｌｍｉｓｃｌｏｓｅｔｏｔｈｅｗａｌｌ
摘要：针对不同基底结构上舍不溶性活性剂液滴的铺展过程，引入受活性剂浓度影响的分离压模型，应用润
滑理论建立了液滴厚度和活性剂浓度演化方程组，通过数值计算得到了分离压作用下含活性剂液滴过程的演化特征。研究表明不考虑分离压时，最小液膜高度贴近壁面，诱发去润湿现象发生，基底不平整度增加加剧
中图分类号：０３６３；０６４８；ＴＱ４２３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００７—２６９１（２０１５）０３— ００７１ — ０７
ＥｆｅｃｔｏｆＤｉｓｊｏｉｎｉｎｇＰｒｅｓｓｕｒｅｏｎＳｐｒｅａｄｉｎｇｏｆＤｒｏｐｌｅｔＣｏｎｔａｉｉｎｎｇ
第４２卷第３期
２０１５年５月
华北电力大学学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏ１．４２，Ｎｏ．３Ｍａｙ，２０１５
ｃａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｄｅｉｖｒｅｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｄｒｏｐｌｅｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｓｕｒｆａｃｔａｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．
ＳｕｒｆａｃａｎｔｔｏｖｅｒＤｉｆｅｒｅｎｔＴｏｐｏｇｒａｐｈｙＳｕｆａｒｃｅｓ
ＹＡＮＧＢａｏｃａｉ，ＹＥＸｕｅｍｉｎ，ＬＩＣｈｕｎｘｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙＰｏｗｅｒａｎｄＭｅｃｈｎｉａｃａｌＥｎｇｌｎｅｅｉｒｎｇ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｉｒｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ０７１００３，Ｃｈｉｎａ）