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基于气相扩散模型的液滴蒸发动力学特性
熊天桐, 叶学民, 谢雄飞, 李春曦
计算物理    2025, 42 (2): 182-191.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8854
摘要40)   HTML0)    PDF (8034KB)(95)   

基于润滑理论和气相扩散与液滴蒸发之间的相互耦合作用, 建立液滴在均匀壁温固体基底上蒸发的数学模型, 推导出基于气相扩散模型的液滴厚度演化方程; 结合液滴接触线动力学求解准静态气相场, 通过数值计算分析气相作用下马兰戈尼数(Ma)和佩克莱数(Pek)对液滴蒸发进程的影响。结果表明: 与单边模型相比, 采用气相扩散模型时的液滴蒸发进程更慢、接触半径更小、蒸发速率更低, 其结果与实验结果更符合; 在气相扩散模型下, 减小Ma可增大液滴蒸发速率, 促进液滴蒸发; 增大Pek, 液滴附近的气体密度增大, 液滴蒸发速率加快。

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大液滴撞击不同润湿性小球的三维格子Boltzmann方法模拟
王习文, 叶学民, 李丹, 李春曦
计算物理    2024, 41 (2): 172-181.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8689
摘要229)   HTML9)    PDF (9745KB)(594)   

采用三维多松弛(MRT)Shan-Chen的格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟液滴撞击不同润湿性固体小球(液滴直径与小球直径比大于1)的动态过程,在多种方法验证计算模型准确性的基础上,探究液滴韦伯数、小球表面润湿性对液滴撞击小球动态过程的影响,以及液滴撞击小球后形成片层的几何特征与球面润湿性的关系。结果表明:液滴撞击小球后将形成钟罩形的片层,撞击亲水小球后的片层则会出现凹痕。当小球表面润湿程度一定时,片层的最大底径随韦伯数增大而增加。撞击亲水小球时,片层形成后会完全闭合,韦伯数越大,且片层完全闭合的时刻越早,并在闭合过程中片层容易发生破裂。而撞击疏水小球时,韦伯数越大,则片层发生破裂的时刻越早;在片层打开过程中,破裂后的片层成环条状下落,即片层的几何特征受韦伯数和小球润湿程度的共同影响。

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液滴在非互溶大黏度比液体表面的铺展特性
童嘉铭, 李春曦, 苏浩哲, 叶学民
计算物理    2022, 39 (3): 318-326.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8421
摘要245)   HTML17)    PDF (2546KB)(1112)   

利用基于润滑理论的液滴在非互溶液体表面铺展的物理模型,探讨大黏度比情形下黏度比对液滴演化过程和平衡形状的影响,分析液滴厚度、铺展半径等特征参数的变化。结果表明:接触线附近液—液界面的变形受黏度比和表面张力比的影响;提高黏度比将导致铺展速率降低、时间常数减小,进而延长演化历程,但不影响液滴最终稳定形状;铺展半径与时间的关系满足xmax= 1 - 0.2 exp(- βt);大黏度比液滴铺展后期并未出现小黏度比时的惯性振荡现象。

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垂直排液过程不稳定性的数值模拟
肖寒, 李春曦, 苏浩哲, 叶学民
计算物理    2021, 38 (6): 661-671.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8332
摘要188)   HTML3333)    PDF (15118KB)(1001)   

为分析线框排液实验中液膜表面出现的不稳定现象及其成因,针对含有不溶性活性剂的线框液膜排液过程,模拟液膜底部的不稳定现象,分析Marangoni效应、膨胀黏性和扰动波数因素的影响。结果表明:底部扰动在排液开始比较剧烈,而后快速减弱,到排液后期又逐渐增强。排液开始的扰动是由初始扰动引起,而排液后期的扰动与活性剂分布有关。较弱的Marangoni效应可增强表面扰动,而较强的Marangoni效应则减弱底部扰动,使液膜呈刚性,发生表面逆流现象;较高的膨胀黏性减慢液膜排液进程,降低表面速度,且能抑制Marangoni效应引起的逆流现象;波数较大的扰动使液膜在排液初期的扰动变强,但对排液后期的稳定性不产生影响。

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活性剂浓度分布对液膜排液过程的影响
杨少东, 叶学民, 李春曦
计算物理    2018, 35 (5): 577-586.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.7705
摘要357)   HTML2)    PDF (1197KB)(1209)   
针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,考虑分离压和表面黏度的作用,应用润滑理论建立液膜厚度、活性剂浓度和表面速度的控制方程组,分析初始活性剂浓度及梯度对排液过程的影响.结果表明:当液膜表面不含活性剂时,其排液历程很短,很快发生破断.当液膜表面添加活性剂时,可以延长液膜存续时间.而当液膜表面活性剂浓度较低时,其诱发的Marangoni效应不足以克服重力的排液作用,其形成的"黑膜"不能稳定存在.随活性剂浓度增大,液膜表面流动速度减小,液膜表面更加"坚固",所形成的"黑膜"非常稳定.当考虑初始活性剂浓度梯度时,其影响主要体现在减缓排液初期的表面速度.
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非对称布置液滴在波纹状基底上的聚并过程
林瑜茜, 叶学民, 卢丽芳, 李春曦
计算物理    2018, 35 (3): 275-284.   DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.7628
摘要344)   HTML2)    PDF (3068KB)(1139)   
基于润滑理论建立在波纹基底上两个含表面活性剂液滴聚并的演化模型,模拟液滴位于波纹基底波峰和波谷处的聚并过程,分析液滴初始间距和基底高度对聚并的影响,并与对称布置液滴进行比较.结果表明:液滴高度随时间呈现五个阶段变化;活性剂浓度在短时间内完成三个阶段变化;初始间距的增大将延长液滴及活性剂聚并时间;增大基底高度将缩短液滴及活性剂聚并时间;非对称液滴相较于对称液滴聚并时间短,聚并速度快.
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分离压作用下波纹状基底上含活性剂液滴铺展稳定性
李春曦, 杨保才, 叶学民
计算物理    2015, 32 (4): 437-448.  
摘要397)      PDF (5786KB)(1121)   
针对波纹状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,引入受活性剂浓度影响的分离压模型,应用非模态稳定性理论分析液滴铺展稳定性.研究表明:与不计及分离压情形相比,分离压作用下的液滴铺展前沿高度明显下降,液滴铺展速率加快;长波扰动有利于增强液滴的演化稳定性,且随扰动波数增大稳定性增强;然而随短波波数增加,液滴演化稳定性逐渐减弱甚至转变为不稳定;较小波数下(k=3)减小引力强度系数α1和提高斥力强度系数α2液滴铺展稳定性增强;而较大波数下(k=30)增大α1和减小α2有利于液滴铺展稳定性.
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可溶性活性剂驱动的液滴铺展稳定性
李春曦, 姜凯, 叶学民
计算物理    2014, 31 (4): 431-443.  
摘要374)      PDF (2393KB)(1102)   
对含可溶性活性剂的液滴在预置液膜上的非均匀铺展过程,基于润滑理论建立基态和扰动态下的液滴厚度、表面活性剂浓度和内部浓度的演化模型,应用非模态理论分析演化过程的稳定性,探讨活性剂溶解特性及典型参数对液滴演化特征的影响.研究表明:扰动波的引入有利于增强液滴演化的稳定性,且稳定程度与扰动波的波数呈正相关性;然而随扰动波数的持续增大,液滴演化的稳定性逐渐下降,直至失稳;相对于非溶性活性剂,可溶性活性剂减缓了液滴的铺展程度,增强了演化过程的稳定性;预置液膜厚度、Marangoni数、毛细力数及吸附系数的增大,均有利于液滴稳定演化,其中Marangoni效应和毛细力的影响较大,预置液膜厚度则主要增强液滴厚度演化的稳定性.
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凹槽基底上含不溶性活性剂液膜的流动特性
李春曦, 陈朋强, 叶学民
计算物理    2014, 31 (3): 314-322.  
摘要314)      PDF (3077KB)(1115)   
针对凹槽基底上含不溶性活性剂液膜的流动过程,采用润滑理论建立液膜厚度和浓度演化模型,通过数值模拟得到液膜的流动特性及相关参数的影响规律.研究表明:含不溶性活性剂液膜在凹槽基底上流动时,重力和活性剂浓度梯度引起的Marangoni力对液膜的流动起促进作用,表面活性剂通过引起表层液体流动进而牵引内部液体运动,但其作用力相对重力较弱,重力起主导作用;与基底尺寸有关的粘性力则起阻碍作用;提高邦德数G和减小毛细力数C具有减弱液膜变形的作用;增大凹槽高度或减小凹槽斜度,均使Marangoni力增加,促使液膜变形加大.
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不同液膜体系中Marangoni效应对活性剂液滴铺展的影响
叶学民, 姜凯, 李春曦
计算物理    2013, 30 (5): 683-691.  
摘要418)      PDF (2912KB)(1108)   
针对含可溶性表面活性剂的液滴在预置液膜上的铺展过程,应用润滑理论建立液滴厚度、活性剂表面浓度及内部浓度演化过程的控制方程组,采用PDECOL程序模拟液滴的演化特征,探讨不同液膜体系下Marangoni效应的作用机理,并基于瞬态增长法分析负体系下液滴演化的不稳定性.研究表明,正体系下Marangoni效应可促进活性剂分子扩散,有利于活性剂液滴的稳定铺展;负体系下Marangoni效应则抑制液滴铺展,使液滴在中心区域产生振荡现象,呈现不稳定性特征,且该特征随负效应增强而愈加明显.在正负两种体系下,Marangoni作用力均是促使液滴横向演化的主要驱动力.
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含表面活性剂液膜去湿过程的数值模拟
叶学民, 沈雷, 李春曦
计算物理    2013, 30 (3): 361-370.  
摘要317)      PDF (2902KB)(1176)   
对存在壁面滑移的含非溶性表面活性剂薄液膜在固体表面的去湿过程,采用PDECOL程序对描述其演化过程的液膜厚度和表面活性剂浓度方程组进行数值求解.基于液膜表面扰动波形的变化,分析各参数对去湿特性及液膜稳定性的影响规律.研究指出:Marangoni数M较小时其效应使液膜失稳区缩短,而M较大时液膜失稳区间无限延伸,稳定性降低;毛细力数减小使液膜失稳区间缩短,减至一定程度后可有效抑制去湿现象的发生;滑移效应对演化过程的影响与M有关,M较小时滑移使液膜失稳区间缩减,使扰动增长率增大,M较大时这一影响并不显著;随平衡液膜厚度增大,液膜表面的扰动程度减小,但扰动区间显著增大.相对于外源性表面活性剂而言,内源性情形的失稳区间更小,液膜稳定性更强.
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