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纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟

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胡梦丹, 张庆宇, 孙东科, 朱鸣芳. 2019: 纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟, 物理学报, 68(3): 114-123. doi: 10.7498/aps.68.20181665
引用本文: 胡梦丹, 张庆宇, 孙东科, 朱鸣芳. 2019: 纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟, 物理学报, 68(3): 114-123. doi: 10.7498/aps.68.20181665
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Hu Meng-Dan, Zhang Qing-Yu, Sun Dong-Ke, Zhu Ming-Fang. 2019: Three-dimensional lattice Boltzmann modeling of droplet condensation on superhydrophobic nanostructured surfaces, Acta Physica Sinica, 68(3): 114-123. doi: 10.7498/aps.68.20181665
Citation: Hu Meng-Dan, Zhang Qing-Yu, Sun Dong-Ke, Zhu Ming-Fang. 2019: Three-dimensional lattice Boltzmann modeling of droplet condensation on superhydrophobic nanostructured surfaces, Acta Physica Sinica, 68(3): 114-123. doi: 10.7498/aps.68.20181665
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纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟

  • 江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室,东南大学材料科学与工程学院,南京211189

  • 东南大学机械工程学院,南京,211189

Three-dimensional lattice Boltzmann modeling of droplet condensation on superhydrophobic nanostructured surfaces

  • 摘要: 采用三维多相流格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM),对纳米结构超疏水表面液滴的冷凝行为进行模拟研究.通过Laplace定律和光滑表面的本征接触角理论对三维LBM模型进行定量验证.模拟分析了超疏水表面纳米阵列的几何尺寸和润湿性的局部不均匀性对冷凝液滴形核位置和最终润湿状态的影响规律.结果表明,较高的纳米阵列使液滴在纳米结构间隙的上部侧面和底部优先形核长大,通过采用上下不均匀的间隙可避免液滴在底部形核长大,而在上部侧面形核的冷凝液滴在生长过程中向上运动,其润湿状态由Wenzel态转变为Cassie态;较低的纳米阵列使液滴在纳米结构底部优先形核长大,液滴的最终润湿状态为Wenzel态;润湿性不均匀的纳米结构表面使液滴在阵列顶端亲水位置处优先形核长大,成为Cassie态.冷凝液滴在不同几何尺寸的纳米结构表面上的最终润湿状态的模拟结果与文献报道的实验结果符合良好.通过模拟还发现,冷凝液滴在生长过程中的运动行为与液滴统计平均作用力的变化有关.本文的LBM模拟再现了三维空间中液滴的形核、长大和润湿状态转变等物理现象.
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纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟

  • 江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室,东南大学材料科学与工程学院,南京211189
  • 东南大学机械工程学院,南京,211189

摘要: 采用三维多相流格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM),对纳米结构超疏水表面液滴的冷凝行为进行模拟研究.通过Laplace定律和光滑表面的本征接触角理论对三维LBM模型进行定量验证.模拟分析了超疏水表面纳米阵列的几何尺寸和润湿性的局部不均匀性对冷凝液滴形核位置和最终润湿状态的影响规律.结果表明,较高的纳米阵列使液滴在纳米结构间隙的上部侧面和底部优先形核长大,通过采用上下不均匀的间隙可避免液滴在底部形核长大,而在上部侧面形核的冷凝液滴在生长过程中向上运动,其润湿状态由Wenzel态转变为Cassie态;较低的纳米阵列使液滴在纳米结构底部优先形核长大,液滴的最终润湿状态为Wenzel态;润湿性不均匀的纳米结构表面使液滴在阵列顶端亲水位置处优先形核长大,成为Cassie态.冷凝液滴在不同几何尺寸的纳米结构表面上的最终润湿状态的模拟结果与文献报道的实验结果符合良好.通过模拟还发现,冷凝液滴在生长过程中的运动行为与液滴统计平均作用力的变化有关.本文的LBM模拟再现了三维空间中液滴的形核、长大和润湿状态转变等物理现象.

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