含表面活性剂液膜去湿过程的数值模拟.pdfVIP

第30卷第3期 计 算 物 理 V01．30，No．3 CHINESE OFCOMPUTATIONALPHYSICS 2013年5月 JOURNAL May，2013 文章编号：1001—246X(2013)03旬361-10 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 (华北电力大学，电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，保定071003) 摘要：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数肘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肘有关，肘较小时滑移使液膜失稳区间缩减，使扰动增长率增大，肘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． 关键词：表面活性剂；薄液膜；去湿现象；分离压；壁面滑移 中图分类号：TKl24；0357．1 文献标识码：A O 引言 薄液膜的稳定性对工业技术领域的诸多场合具有至关重要的作用．例如，若磁记录系统中保护磁盘的润 滑液膜发生表面变形，将导致磁盘受损同时也降低磁头飞行稳定性…．汽车制造业中广泛采用的热喷涂方 法力求获得厚度均匀的涂层，然有时却效果不佳，厚度幅度甚至达到10％以上拉1．这些现象的产生将对装置 安全运行及器械外观、寿命带来不同程度的影响或危害．研究表明¨1，液膜表面变形由表面张力梯度造成， 即Marangoni效应．液膜在表面张力梯度驱使下沿张力较大的方向流动，而表面张力梯度可能源于受热不 均、表面活性剂引入或液膜中自由能较低的颗粒等因素，其中以液膜表面局部含有表面活性剂时形成的 Marangoni效应最为显著．鉴于含表面活性剂的液膜流动在包括生物医学方面在内的重要应用价值”1，近年 来引起了学术界的广泛关注． 研究表明，当液膜厚度低于100nm时，分子间作用力(又称分离压)在演化过程中起主导作用．若液膜 表面存在初始小扰动或Marangoni效应使其局部减薄时，分离压中的引力项会放大扰动、加速局部变薄，而 分离压中的斥力项会阻碍该过程，最终引力和斥力在某一临界厚度处达到平衡．随演化过程的持续，这一平 衡厚度的液膜面积不断扩大，原有液体被排向两侧，堆积成波峰状结构，此过程即为固体基底表面液膜的去 润湿过程或去湿过程‘1’3“’7’…．该过程的诱发机理与液膜的界面自由能有关，只有界面自由能中(h)的最小 值出现在有限的液膜厚度上，去湿过程才有可能发生．当西”(h。)0，h。为初始液膜厚度，初始扰动以指数速 013 了实验研究．Warner等¨1基于Bhakta 为表面活性剂浓度的函数，通过数值模拟指出表面活性剂的初始分布方式对spinodal稳定液膜失稳过程的 影响．胡国辉‘141应用滑移边界条件对控制方程进行完善，采用线性理论分析了滑移尺度等参数对扰动增长 率及扰动波的影响． 收稿日期：2012—08—13；修回日期：2012—10—17 基金项目：国家自然科学基金11202079)和中央高校基本科研业务费专项基金(10MG33)资助项目 作者简介：叶学民(1973一)，男，河北邢台，博士，教授，主要从事流体力学理论及应用、活性剂铺展过程及流体机械等教学和研究 63．corn E—mail：yexuemin@1 万方数据 362 计 算 物 理 第30卷 虽然对于液滴铺展过程中各参数的影响已有详细讨论Ⅲ一7