润湿性梯度表面上液滴运动的数值模拟_隋涛

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1、2011年10月润滑与密封Oct.2011第36卷第10期LUBRICATIONENGINEERINGVol.36No.10DOI:10.3969/j.issn.0254－0150.2011.10.005*润湿性梯度表面上液滴运动的数值模拟隋涛蒋亮汪家道陈大融(清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084)檿檿檿摘要:建立液滴在具有润湿梯度表面上运动的物理和数学模型，用Fluent软件模拟出液滴在润湿梯度表面上的运檿檿动过程，并从能量变化的方法得到液滴在润湿梯度表面上运动的机制。计算结果表明润湿性梯度表面上的液滴

2、具有不同檿檿的能量状态，当液滴的接触角较大时，液滴的表面能较大，此时液滴可以自发地向低接触角的方向运动，润湿性梯度的檿檿分布状况将决定液滴运动过程的速度和加速度的大小。檿檿关键词:液滴;润湿性;梯度中图分类号:TK124文献标识码:A文章编号:0254－0150(2011)10－016－4NumericalSimulationofDropletMovementonSurfacewithGradientWettingPropertySuiTaoJiangLiangWangJiadaoChenDarong(State

3、KeyLaboratoryofTribology，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)Abstract:Aphysicalandmathematicalmodelofadropletmovingonagradientwettingsurfacewasestablished．ThemovementofthedropletonthegradientwettingsurfacewassimulatedbyFluentsoftware．Thetheoreticalbasisoft

4、hemovementofthedropletonagradientwettingsurfacewasobtainedbytheenergyanalysis．Theresultsshowthatthewetta-bilitygradientonthesurfaceofdropletshasdifferentenergystate，whenthedropletcontactangleislarger，thedroplethaslargersurfaceenergy，andthisdropletcanspontaneo

5、uslymovetothedirectionoflowcontactangle．Thedistributionofwet-tabilitygradientwilldeterminethevelocityandaccelerationofdroplet．Keywords:droplet;wetting;gradient润湿性是固体表面的一项重要性质，在水下减阻能位置自由释放后可以沿着表面能增加的方向运动，［1］［9］等方面有着重要的应用。固体表面的润湿性主要取如图1所示。一般认为这种表面上的液滴两端的非［2－5］决

6、于表面能的大小和表面形貌。对于一个光滑的平衡表面张力导致液滴向具有更小表面能的方向表面，当固体的表面能越低，表面的疏水性越强，液移动。滴与固体表面间的接触角越大。反之，当固体的表面能越高，表面的亲水性越强，液滴与固体表面间的接触角越小。对于具有表面能梯度变化的光滑表面，其润湿性也具有梯度变化，从而使得液滴在不受外力作用的情况下发生移动，因此这种表面在能源、生物医学和材料等领域都有应用前景。国内外已经有学者对具有润湿梯度的表面进行了［6－12］［9－10］研究，廖强等人通过化学气相沉积的方法在硅片表面上制备了具有表

7、面能梯度的表面，该表面的不同位置呈现出不同的润湿性能。当液滴从低表面图1水平润湿梯度表面上液滴运动图像Fig1Thephotoofadropletmovingonasurfacewithgradientwetting*基金项目:国家自然科学基金委“创新研究群体”项目本文作者对大气环境中液滴在梯度润湿性表面上(50721004);国家自然科学基金项目(56075112;50505020)．运动进行了数值模拟。收稿日期:2011－05－05作者简介:隋涛(1980—)，男，博士研究生，主要从事超疏水1计算模型［13－

8、14］表面形貌效应的研究．E-mail:suit06@mails.tsinghua.edu.cn．本文作者采用Fluent软件对液滴在具有润2011年第10期隋涛等:润湿性梯度表面上液滴运动的数值模拟17湿梯度表面的运动过程进行了数值模拟。2结果与讨论1.1计算区域的离散2.1液滴在润湿梯度表面运动的理论依据GAMBIT作为FLUENT的前处理软件，用来进行图2为光滑均匀