液滴棘齒運(yùn)動在自然界和工業(yè)界中廣泛存在,是當(dāng)前流體力學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一,該問題的研究對于生物醫(yī)學(xué)、材料學(xué)和仿生學(xué)等領(lǐng)域都有著重要的科學(xué)意義。為此,本文針對振動傾斜平板上的液滴爬升現(xiàn)象,斜齒振動平板上的液滴棘齒運(yùn)動機(jī)制和傾斜振動的水平平板上的復(fù)合液滴棘齒運(yùn)動問題,采用擴(kuò)散界面方法,開展了數(shù)值模擬研究和理論分析,主要內(nèi)容和研究成果如下:（1）揭示了液滴在振動傾斜平板上的爬升機(jī)制。采用三維數(shù)值模擬方法,首次提供與實(shí)驗(yàn)定量符合的數(shù)值結(jié)果（Brunet et al.,2007）。再者,液滴棘齒運(yùn)動雖然源于平板傾斜于縱向振動方向破壞了系統(tǒng)的幾何對稱性,但其力學(xué)效應(yīng)體現(xiàn)在施加在液滴上的簡諧振動與其潤濕面積的周期性變化間存在遲滯效應(yīng)。具體地,液滴向平板下端運(yùn)動的半周期潤濕面積大于向平板上端運(yùn)動的半周期。為此我們對振動液滴的一周期內(nèi)受力平衡展開理論分析,建立了此棘齒機(jī)制相關(guān)的流體力學(xué)模型。模型考慮了平板振動、重力和接觸角遲滯等效應(yīng),并且模型預(yù)測的尺度率關(guān)系和數(shù)值結(jié)果對比良好。（2）探究了液滴在振動斜齒平板上由于平板結(jié)構(gòu)不對稱性導(dǎo)致的兩種運(yùn)動模態(tài)及其對應(yīng)的棘齒機(jī)制。數(shù)值模擬結(jié)果中將斜齒帶來的各向異性簡化... 

【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：146 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．４振動傾斜平板上的液滴振動形態(tài)側(cè)視圖（Ｂｒｕｎｅｔ?ｅｉａ／．，２００７）

????Ｔｉｍｅ?（ａ．?ｕ．）??圖１．５?（ａ）豎直和水平耦合振動液滴的雙振子模型（Ｎｏｂｌｉｎ?ｅｈＬ，?２００９６）。⑷模型反饋的棘齒??狀運(yùn)動示意圖。??＆?Ｔｈｉｅｌｅ?（２０１０）建立了一種小平板傾角二維潤滑模型。他的模型預(yù)測液謫振動存在??截止頻率（與實(shí)驗(yàn)工作趨勢一致），并認(rèn)為液滴定向運(yùn)動的原理是由于斜向振動的豎??直分量影響了液滴高度影響的水平方向的移動能力，從而導(dǎo)致液滴在水平方向出現(xiàn)不??對稱的運(yùn)動。其中，水平方向的移動能力在該模型中與液滴的高度（幾何效應(yīng)）和粘??性相關(guān)�；诖四Ｐ�，他提出了液滴定向運(yùn)動速度與振幅Ｍ和傾角／？間的尺度率??關(guān)系：??〈ｗ〉？命，?（１．１）??總體來說，該潤滑模型得到了比較好的定性結(jié)論，并從力學(xué)角度解釋了液滴振動運(yùn)動??的原理，但仍有較大的局限性。畢竟液滴的接觸線運(yùn)動規(guī)律和粘性、慣性力作用規(guī)律??對于二維液滴和真實(shí)的三維液滴之間存在非常大的差別

?１０００??Ｔ??圖１．６潤滑模型下的定向平均速度尺度率（Ｊｏｈｎ?＆?Ｔｈｉｅｌｅ，?２０１０）。??作用下液滴可能存在爬升的情況，并給出了爬升的臨界條件。（Ｂｅｎｉｌｏｖ＆Ｂｉｌｌｉｎｇｈａｍ，??２０１１）建立了不同的淺水（ｓｈａｌｌｏｗ?ｗａｔｅｒ）模型，主要討論液滴慣性，表面張力作用??和振動三種力學(xué)機(jī)制的競爭。以上的工作主要圍繞此問題中液滴在各類不同理論假設(shè)??環(huán)境下的爬升可能性而展開，并且受到過多理論假設(shè)的制約，對于棘齒機(jī)制的一般性??力學(xué)原理理解貢獻(xiàn)不足。??與之類似地，Ｂｒａｄｓｈａｗ?＆Ｂｉｌｌｉｎｇｈａｍ?（２０１６）在同樣的理論框架下，專門針對此??問題中接觸角遲滯的作用開展了理論研究，他的研究模型所做假設(shè)與Ｂｅｎｉｌｏｖ?（２０１１）??比較接近，其結(jié)果與Ｂｅｎｉｌｏｖ?（２０１１）也定性相符。并且指出了模型假設(shè)范圍內(nèi)不同的??接觸線速度－接觸角次冪對于振動的影響。同樣的，這些理論工作都受制于理論假設(shè)??和模型的限定范圍


本文編號：2992149