介质上电润湿液滴动力学特性的数值模拟的研究.pdfVIP

中国工程热物理年会 传热传质学 学术会议论文 编号：093520 介质上电润湿液滴动力学特性 的数值模拟研究 洪芳军，郑平 （上海交通大学机械与动力工程学院，上海，200240 ） Tel ：021；Email ：mehongfj@sjtu.edu.cn 摘要：在考虑液滴运动时和壁面的动态接触角的条件下，通过求解N-S 方程和 VOF 方程对液滴在介 质上电润湿过程的动力学行为进行了数值模拟。结果表明：接触线在类似阻尼振荡的过程中最后停止 运动，在动力学过程中会出现“过度润湿”的现象；液滴运动时的接触角明显偏离静态接触角，表明 液滴电润湿动力学数学模型考虑动态接触角的必要性。 关键词：介质上电润湿，液滴，动力学，动态接触角 0 前言 介质上电润湿已经成为操控平面上微液滴的最常用方法，在液滴型微流控芯片[1]， 可变焦镜头[2]，光学和流体开关[3]，电子显示[4]等场合具有广泛应用。目前大部分研 究关心是电润湿液滴的静态特性，即加电压后，液滴最终静止时的接触角和所施加电压 大小的关系。然而，对于许多应用场合，液滴电润湿时的动态行为特性，即在施加电压 后，液滴的变形过程，也至关重要，关系到光学开关和显示系统的响应时间。数值模拟 是研究电润湿液滴动力学的有效方法。然而，以往关于电润湿液滴的动力学数值模拟研 究中[5]，研究者大多采用Young-Lippaman公式计算施加电压后的接触角，作为壁面的边 界条件来考虑电润湿作用，而没有注意到液滴与壁面的接触角和施加在接触线上的作用 力是两个不同的概念。已有研究表明，就物理本质而言，电润湿现象实际上是作用力在 三相接触线上的电场作用力的体现，而并非是对固体表面能的改变[6]。因此，当施加电 压不变时，接触线上的电场作用力总是不变的，不管运动着的液滴和壁面的实际动态接 触角是多少。但是，电润湿中的电场作用力的大小和毛细力在一个量级上，因此，对于 这种类似“毛细力”驱动的液滴运动，还必须考虑动态接触角的作用，才能正确计算壁 面的毛细作用力。本文在考虑动态接触角的条件下，通过对接触线上施加电场力的方法 来体现电润湿作用，对液滴在介质上电润湿过程的动力学行为进行了数值模拟。 1 介质上电润湿原理 介质上电润湿的原理如图1所示。在电润湿时，为了避免电压过高而引起的电解效应， 通常在平板表面涂上介电层。同时为了增加接触角的变化能力，在介质层还会涂上一层 疏水层（通常为聚四氟乙烯）来增加壁面的憎水性。根据Young方程，在加电压以前， 液滴静止时，接触线上的水平方向的力平衡如下： γ lv cosθ e + γ sl γ sv （1） 根据Young-Lippmann方程，加电压以后，液滴静止时的接触角和电压大小的关系为： 1 ε 0 ε r 2 cosθ − cosθ V （2 ） v e 2 dγ LG 资助项目：国家自然科学基金（No 其中 d 为介电层厚度，V为电压大小，ε 0 为真空介电常数，ε r 为介电层的相对介电常数。 Young-Lippmann方程虽然给出了接触角和施加电压大小的关系。但是没有体现电润湿现 象的物理本质。如上所述，电润湿现象实际上是作用力在三相接触线上的电场作用力的 体现。因此，我们可以认为在施加电压后，接触线增加了电场作用Fe,此时液滴静止时水 平方向上力的平衡关系变为： γ lv cosθ v + γ sl γ sv =+ Fe （3 ） 通过比较可以发现，电场力的大小为