液滴在化学图案化表面蒸发行为的格子Boltzmann模拟研究

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1、硕士学位论文液滴在化学图案化表面蒸发行为的的格子Boltzmann模拟研究格子作者姓名田亮亮学科专业能源化学工程指导教师蒋翔副研究员所在学院化学与化工学院论文提交日期2018年4月LatticeBoltzmannSimulationofEvaporationBehaviorofDropletonChemicllyPatternedSurfacesADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：TianLiangliangSupervisor：AssociateProf.JiangXia

2、ngSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TQ学校代号：10561学号：201520118699华南理工大学硕士学位论文液滴在化学图案化表面蒸发行为的格子Boltzmann模拟研究作者姓名：田亮亮指导教师姓名、职称：蒋翔、副研究员申请学位级别：硕士学科专业名称：能源化学工程研究方向：传热与节能工程论文提交日期：2018年4月24日论文答辩日期：2018年6月2日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：常杰委员：蒋翔、黄扬明、潘朝群、王卫星摘要液滴的蒸

3、发现象是自然界的一个基本现象，在自然科学和工程的各个领域都有广泛的应用例如喷雾冷却，喷墨印刷，涂层，芯片制造，微流体装置和燃料电池等。液滴在固体表面的蒸发行为受到固体表面结构特征的影响，液滴在不同基底表面上的蒸发行为也不同。目前对液滴蒸发的研究大多以理论研究和实验研究为主，基于数值模拟方法的研究鲜有文献报道。为此，采用格子Boltzmann的数值模拟方法研究液滴在不同化学图案化表面上的蒸发行为。基于D2Q9（二维九速）速度离散模型的多松弛时间多相LBM（LatticeBoltzmannMethod）伪势模型对单个液滴在三种不同条纹宽度的化学

4、图案化表面的蒸发行为进行了二维数值模拟。模拟结果表明，液滴在垂直条纹方向的蒸发模式为“Stick-Slip-Jump”(粘-滑-跳跃)模式，CCR（恒接触面积）与CCA（恒接触角）交替出现。在平行条纹方向液滴以CCR模式蒸发。模拟结果与实验基本吻合。基于D3Q15（三维十五速）速度离散模型的多松弛时间多相LBM伪势模型对单个液滴在不同条纹宽度的化学图案化表面的蒸发特性进行了三维数值模拟。模拟结果与基于二维模拟的结果类似，液滴在垂直条纹方向的蒸发模“Stick-Slip-Jump”模式，CCR与CCA交替出现。在平行条纹方向液滴以CCR模式蒸

5、发。其中数值模拟的接触角与实验值的相对误差为14.08%，数值模拟的接触半径与实验值的相对误差最大为25%，最小为0。模拟结果与实验基本吻合，验证了模型的适用性。基于D3Q15速度离散模型的多松弛时间多相LBM伪势模型对单个液滴在不同圆环形宽度的化学图案化表面的蒸发特性进行了三维数值模拟。模拟结果表明，液滴在圆环形化学图案化表面的蒸发模式也为“Stick-Slip-Jump”模式，CCR与CCA交替出现。随着蒸发的进行，液滴滑移持续的时间变小。圆环宽度主要影响液滴出现跳跃的次数。上述结果表明液滴在条纹形和圆环形两种化学图案化表面的蒸发模式均

6、为“Stick-Slip-Jump”模式。基于LBM的数值模拟结果与实验结果基本吻合。通过LBM能够较准确的模拟液滴在化学图案化表面的蒸发行为。关键词：化学图案化表面；液滴蒸发；蒸发模式；格子Boltzmann方法IABSTRACTTheevaporationofdropletsisafundamentalphenomenoninnature.Ithasbeenwidelyusedinvariousfieldsofnaturalscienceandengineeringsuchasspraycooling,inkjetprinting,co

7、ating,chipmanufacturing,microfluidicdevices,andfuelcells.Theevaporationbehaviorofthedropletonthesolidsurfaceisaffectedbythestructuralcharacteristicsofthesolidsurface.Theevaporationbehaviorofthedropletondifferentsubstratesurfacesisalsodifferent.Atpresent,theresearchondrople

8、tevaporationmostlyfocusesontheoreticalresearchandexperimentalresearch.Therearefewreportsb