仿生功能性润湿结构中液滴定向输运特性研究

仿生功能性润湿结构中液滴定向输运特性研究

【摘要】： 自然界中广泛存在着液滴定向输运现象,如Namib沙漠甲虫背部表面可实现液滴的收集与定向输送。此外,蜘蛛丝的定向集水性,荷叶的自清洁表面等均离不开液滴的定向输运。而仿生技术作为一种模仿生物功能和行为的方法,近年来被广泛应用到科学研究当中。因此,基于仿生方法的液滴定向输运研究对微纳机电系统、能源化工、生物工程技术等多个领域均具有重要意义。为了分析液滴的定向输运过程并以其机理更好的指导工业应用,国内外学者针对液滴的定向输运进行了大量的模拟和实验研究。但由于液滴的流动涉及到复杂的气液固三相作用,液滴的物性参数、大小以及固相基底的结构及润湿特性均会影响其输运结果。此外,液滴因其流动特性会在不同受力的情况发生形变、断裂以及合并等现象,所以对于液滴输运过程中的受力分析极其重要。基于以上原因,本文以液滴为研究对象,开展仿生功能性润湿结构中液滴定向输运特性研究。结合P-R非理想气体状态方程的格子Boltzmann方法构建多松弛Shan-Chen伪势模型。应用所建立模型进行气液两相分离的模拟,获得不同温度下的气液两相平衡时分离密度。利用获得的气液两相分离密度并选定温度,进行不同强度作用下固相表面上的液滴接触角变化的模拟以及无固相时不同半径大小液滴所受到的拉普拉斯压差计算。研究结果表明,作用力系数ρ_w与液滴接触角之间近似为线性关系,可通过选择不同的ρ_w值来改变液滴接触角的大小。此外,液滴内外压差与拉普拉斯定律一致,其界面上的压力差随着1/r呈线性变化,经计算得到的流体与流体间表面张力σ为0.082,可以验证模型中气液固三相间表面张力的准确性。应用所建立模型对功能性润湿平板表面上液滴的定向输运过程进行数值模拟研究,分析壁面润湿跨度以及液滴粘度变化对其流动特性的影响,讨论壁面润湿跨度与粘度比在液滴输运过程中的竞争机制,并对液滴输运过程中的受力进行分析。研究结果表明,功能性润湿平板表面上,液滴右侧边界的接触角始终小于左侧边界的接触角使得液滴受力不平衡,为液滴向右迁移提供了驱动力。而壁面润湿跨度越大以及粘度比λ越小时,液滴的输运速度越快。此外,润湿跨度以及液滴粘度会使得液滴的垂直方向受力发生变化,并最终影响液滴的输运速度及铺展形态。应用所建立模型对液滴在具有异质润湿性多孔介质中的输运过程进行模拟,讨论多孔介质孔隙结构及亲疏水性变化对液滴输运过程影响,并对其受力进行分析。研究结果表明在异质润湿性多孔介质中,液滴只能从超疏水的一侧渗透到超亲水的一侧,而无法从超亲水的一侧渗透到超疏水的一侧。而该现象的产生主要受到多孔介质的润湿性变化的影响,而几乎与多孔介质的孔隙结构无关。液滴在异质润湿性多孔介质中的选择透过行为是由液滴所受重力、亲疏水力、静水压力以及毛细力的共同作用下产生的。搭建液滴定向输运实验平台,通过对铜基材料进行几何形状构建以及亲疏水改性从而开展液滴定向输运实验研究,并分析所制备表面在高温高湿度工作环境下的适应性。结果表明铜基材料的润湿性改性,范围可以从超亲水变化到超疏水。所制备表面的亲疏水性能不会受高温高湿度工作环境的影响。研究发现表面附加润滑油层的方法可以有效解决接触线钉扎的问题,消除液滴在定向输运过程中的滞后力,并应用数值模拟方法对此进行验证。此外,结合梯形形状所带来的不平衡几何梯度力以及附加润滑油层所造成的液滴滞后力的消除,最终实现液滴的定向输运,并发现液滴的大小、基底材料的几何结构及倾斜角度均会对液滴的输运过程产生影响。

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2021

网址：仿生功能性润湿结构中液滴定向输运特性研究 http://c.mxgxt.com/news/view/423051

相关内容

竖直表面液滴运动的数值模拟
萘酐衍生物荧光二向性液晶材料的合成和研究
液体与固体之间是如何进行接触角测量的？
中国能源研究会理事长史玉波：电力低碳转型的复杂性和不确定性依然存在
研究揭示音乐训练经验对言语行为及大脑功能和结构的影响
音乐训练经验对言语行为及大脑功能和结构的影响研究获进展
探索网络影响力的新视角：DomiRank中心性与网络结构的脆弱性
高性能不饱和聚酯树脂的研究
心理所探究音乐训练经验对人们言语行为以及大脑功能、结构的影响
羟基化桐油衍生的阳离子聚氨酯水分散体的合成和性能研究

随便看看