超声行波驱动的玻璃表面液滴运动数值模拟.pdf

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1、2017年5月第43卷第5期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMay2017V01．43No．5http：／／bhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2016．0395超声行波驱动的玻璃表面液滴运动数值模拟丘华川，姜立标+(华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640)摘要：针对液滴铺展和移动的动力学行为在工业生产和微流控芯片等领域有着重要作用，提出了一种基于超声

2、行波理论的弹性体平板驱动模型，利用压电陶瓷的逆压电效应在弹性体玻璃产生超声行波从而驱动液滴运动。借助多物理场软件COMSOL建立液滴模型，首先进行行波分析，验证了驱动液滴的可行性。在0～60ms中，液滴在超声行波的驱动下进行收缩．铺展的正弦振荡运动。然后通过液滴内部流场结构分析发现，当液滴半径铺展到最大后开始收缩时，液滴与基底接触面处的速度首先发生变化，表明液滴内部速度场的变化对接触线是否发生移动有着重要作用。液滴内部流场存在一个类似于椭圆形的漩涡，说明液滴运动不是单纯由于收缩一铺展而引起的平动，而是滚动着朝前运动。最后分别探讨了液滴移动速

3、度与驱动电压、驱动频率以及动力黏度的关系，结果表明液滴移动速度受动力黏度影响较为显著。关键词：超声行波；液滴；接触线移动；液滴振荡；压电中图分类号：0359；TB552；0323文献标识码：A文章编号：1001—5965(2017)05-0908—10液滴在平壁表面的铺展以及移动现象不仅在自然现象中广泛存在，如雨滴在树叶表面以及汽车风挡玻璃表面的润湿和滑落行为，而且在喷墨印刷、半导体元器件的制作和化妆品生产等工业过程‘1-2]以及微流控芯片∞刮等领域都有着非常重要的应用。文献[6．8]分别在光滑表面和粗糙表面上建立了液滴的润湿模型，大量关于

4、接触角模型和接触线移动的研究随之展开。文献[9]通过实验发现，在非理想表面接触角不是唯一的，存在接触角滞后，指出接触线发生移动的条件是接触角需增大到某个阈值0。，称为前进接触角。Daniel等H“111研究了在润湿滞后的状态下由表面能梯度引起的液滴运动，发现由于没能克服接触角滞后，液滴并未朝着梯度更加润湿的方向移动。但是滞后作用力在空间上是非对称的，沿梯度反方向的值要大于沿梯度方向的值，因此施加非对称的周期作用力可以使液滴朝着更加润湿的区域运动。王晓东等¨2。对粗糙表面下润湿性接触角滞后的现象进行了实验研究，指出滞后张力可表示表面粗糙度对接

5、触角滞后的影响。石自媛等¨纠采用格子Boltzmann方法研究了固／液界面上润湿性梯度引起表面张力变化从而驱动液滴的运动，对速度矢量分析，发现液滴是滚动着向亲水端运动的，在疏水端液滴内部出现一个漩涡，因此在流体界面处存在较大的剪切应力。文献[14]通过数值模拟了倾斜表面液滴在润湿性梯度驱动下爬坡的过程，也得到了类似的结论。周建臣等‘1纠完成了液滴在超疏水表面上受迫振动的观察实验，发现在80～120Hz的驱动频率内，接触线出现显著的固着一移动现象，指出液滴在低频的外界驱动力作用下的不同响应与接触线的振荡行为密收稿日期：2016<15—11；录

6、用日期：20164)8—10；网络出版时间：2016-08-2917：09网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160829．1709．003．html基金项目：国家自然科学基金(51275175)；广东省自然科学基金(2014A030313254){通讯作者：E-mail：jlb@scut．edu．cngt用格式：丘华越．姜立标．超声行波驱动昀玻璃表面液滴运动数值模拟e】]．北京航空航天大学学报．2017．43(5)：908-917．QtVHC，JIANGLB．Numericalsimul

7、ationofdropletmotiononglasssurfacedrivenbyultrasonictravellingwaveeJj．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2017，43(5)：908-917(inChinese)．第5期丘华川，等：超声行波驱动的玻璃表面液滴运动数值模拟909切相关。随着对接触角润湿滞后以及接触线移动的深入研究，微流体流动机理研究也得到了学者们的重视。Walker等u“18。针对受限系统的电润湿过程，提出了基于Hele．Shaw流

8、的简化数值方法，同时构建了接触角饱和、滞后和黏弹运动等复杂情况的计算模型，并且通过数值方法对液滴分裂、合并和移动进行了研究。Li和Mugele。191对交流电润湿下的接触角进行实