液滴撞击疏水／超疏水表面运动特性的数值模拟全面建成小康社会最艰巨最繁重的任务在
张磊;李小磊;马晓雯;张会臣
【摘 要】采用计算流体动力学对液滴撞击疏水／超疏水表面的过程进行数值模拟，分析液滴滴落高度、表面润湿性和表面倾斜角度3个因素对液滴运动的影响。结果表明，随着液滴滴落高度的增大，液滴铺展系数增大，回弹系数减小，滴落高度对液滴铺展系数和回弹系数的影响随表面静态接触角的增大而增大；表面疏水性增强，液滴铺展系数减小，回弹系数增大，滴落高度的增大会减弱表面润湿性对液滴铺展系数和回弹系数的影响；表面倾斜角度增大，液滴铺展系数和回弹系数减小，液滴内部最大速度增大。%The drop impacting on the hydrophobic/superhydrophobic surface was simulated by computational fluid dy-namics method.Influences of drop dripping height,wettability and surface’s incline angle on droplet moving were analyzed. The results show that,with the increasing of dripping height,the spreading coefficient is increased,the rebounding coeffi-cient is decreased,and the influence of dripping height on spreading coefficient and rebounding coefficient will be stronger when the hydrophobicity is enhanced.With the enhancement of surface hydrophob icity, the spreading coefficient is de-creased but the rebounding coefficient is increased,and the influence of hydrophobicity on spreading coefficient and re-bounding coefficient will be weakened by the increasing dripping height.The larger the incline angle is,the smaller the spreading coefficient and the rebounding coefficient,and the bigger the maximum velocity inside the droplet.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2016(041)009
物联网技术
【总页数】6页(P63-68)
【关键词】液滴撞击;疏水表面;超疏水表面;铺展系数;回弹系数
【作 者】张磊;李小磊;马晓雯;张会臣
【作者单位】大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院 辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院 辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院 辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院 辽宁大连116026
【正文语种】中 文
【中图分类】TH117.1
在化学工程和航空航天等领域经常涉及到液滴撞击固体壁面的现象[1-3]，如化工生产中液滴溅射到容器壁面、柴油机气腔内油粒撞击燃烧室壁面以及雨滴对飞机机翼的撞击等等。为了避免这种撞击带来的破坏，人们对液滴的动力学特性进行了相关研究[4-5]，其中对表面进行疏水化处理被认为是控制液滴与表面相互作用的有效手段。
在液滴撞击疏水壁面的理论研究方面，FUKAI等[6-7]构建了液滴撞击光滑表面的数值模型，研究了表面润湿性对液滴铺展的影响，结果表明前进角越大液滴最大铺展直径越小，且表面润湿性对液滴运动的影响显著。苏铁熊等[8]、马理强等[9]利用改进的光滑粒子动力学方法模拟了液滴撞击固体表面的过程，研究发现液滴铺展因子随韦伯数的增大而增大。权生林等[10]采用格子Boltzmann方法对液滴撞击固表的行为进行了数值模拟，发现液滴回缩速度随撞击速度和表面张力的增加而增大，液滴的最大相对直径与韦伯数呈线性关系。梁超等人[11]采用VOF方法对单个液滴撞击不同润湿性表面的模型进行了模拟，分析了撞击过程中液滴形态、内部压力的变化。结果表明，表面的静态接触角越大，液滴的铺展系
数越小，当表面为亲水性时，回缩过程中液滴出现液膜断裂现象。综上，现有的研究主要是探讨液滴撞击壁面的动态过程及分析撞击过程中的液滴形状和压力变化，且液滴均垂直撞击表面，而液滴撞击倾斜疏水表面的运动过程以及液滴撞击表面时的速度场分布的研究还未见报道。
本文作者借助Fluent软件对液滴撞击固体表面的运动过程进行了数值模拟，分析了液滴滴落后的形状变化和内部流场变化，研究了滴落高度、静态接触角和表面倾斜角度对液滴铺展系数、回弹系数以及液滴内部流场的影响，旨在为相关实际装备的设计提供技术支持。
本文作者模拟的是二维状态下的液滴运动，在模拟过程中，液滴运动满足连续性方程[12-13]，即质量守恒方程，通过求解液滴连续性方程得到体积分数，从而得到气液两相的交界面，即液滴的形态。在直角坐标系下连续性方程的微分形式为
在模拟过程中，液滴密度为常数，液滴为不可压缩流体，因此可将上式简化为
wap模拟器液滴运动过程中还必须满足动量守恒方程[14]，即Navier-Stocks方程，通过此方程可得到液滴内部流动的速度场。将液体的动力黏度设为常数，方程可简化为
数值模拟时，设置液相为水，其具体物质参数为：密度ρ=1 000 kg/m3，黏度μ=1×10-3 Pa·s，表面张力σ=7.2×10-2 N/m。整个计算区域大小为25 mm×25 mm，设置重力加速度g=9.8 m2/s，方向竖直向下，液滴初始形态为球形，直径为1.2 mm。采用前处理软件Gambit建立二维模型，划分四边形网格共113 350个四边形网格。利用Fluent 6.3.26进行数值计算，数值模型采用的求解器为压力基隐式算法，多相流模型选择VOF模型[15-16]，压力-速度耦合方法采用PISO方法。模拟区域下边界设置为疏水表面，其余边界均设置为压力入口边界，压力为0。
在液滴与固体表面撞击过程中，液滴形状和高度不断发生变化，为了定量地研究液滴的运动过程，定义2个量纲一化参数：铺展系数β和回弹系数λ：
β=d1/d0
λ=h1/h0根本违约
本文作者重点研究滴落初始高度h0、表面静态接触角θ、表面倾斜角度α(为了避免重复建立网格模型，模拟区域整体流场不变，仅改变重力场的角度，由初始竖直向下方向顺时针偏
转α角)3个参数对铺展系数β和回弹系数λ的影响，3个参数的具体设置如下：h0分别取为0.6、5、10、15、20 mm，θ分别取为110°、130°、150°，α分别取为0°、1.4°、4.2°、7°。
设置表面倾斜角度α=0°，研究不同高度和润湿性条件下液滴滴落的运动过程。以h0=10 mm，θ=150°为例，液滴滴落至超疏水表面过程中，液滴的形状以及对应的流场分布如图2所示。
如图2(a)所示，在t=42 ms时刻，液滴在重力作用向下运动，势能转化为动能，此时液滴内部最大速度发生在液滴最下侧边缘处，方向竖直向下，大小为0.404 m/s。在t=46 ms时刻(见图2(b))，液滴与表面开始发生接触，此时液滴内流场最大速度出现在气-液-固三相接触点附近，方向水平并指向液滴外侧，大小为0.545 m/s；随后液滴在沿壁面方向发生铺展，在t=48 ms时刻，液滴水平铺展至最大值(见图2(c))，d1=2.32 mm，此时，液滴内的最大速度发生在液滴顶部位置，方向竖直向上，大小为0.203 m/s。液滴横向铺展至最大值后，横向开始收缩并向上运动。在t=54 ms时刻(见图2(e))，液滴即将脱离表面向上弹起，其内部整体速度减小。在t=68 ms时刻，液滴到达最高点(见图2(f))，其高度h1=1.94 mm，此时液
滴内部最大速度发生在顶部，方向竖直向上，其大小为0.049 m/s。在重力作用下，液滴再次滴落，重复上述滴落过程，直至最终稳定。由上述整个过程可以发现，液滴撞击表面的运动过程主要包括下落、铺展、收缩、上升4个阶段。
李静轩
计算得到图2中液滴的铺展系数β=1.45，回弹系数γ=0.194，同理可测得其他条件下液滴的铺展系数β和回弹系数γ，其结果分别如图3和图4所示。
rct从图3中可以看出，液滴撞击表面后，其铺展系数β始终大于1。当滴落高度h0=0.6 mm时，铺展系数较小。当滴落高度增加时，铺展系数增大，当h0由0.6 mm增大到20 mm时，表面接触角为110°、130°和150°的3个表面上的液滴铺展系数分别增大了0.64、0.91和1.14，说明当表面静态接触角增大时，滴落高度对液滴铺展系数的影响增大。
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