纳米液滴撞击固体表面动态行为的分子动力学模拟

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液滴撞击固体表面的现象不仅在自然界普遍存在,在工农业生产中也有着十分广泛的应用。随着对液滴调控需求的不断增加,液滴撞击固体表面的动力学特性作为液滴调控的基础,有待完善。由于工业生产向微纳领域发展,对液滴的研究逐渐进入微纳米尺度。目前的研究主要集中在单个纳米液滴撞击光滑固体表面,而较少涉及纳米液滴撞击粗糙固体表面以及双液滴撞击固体表面的动态行为。本文采用分子动力学(MD)模拟的方法,从原子尺度探究纳米水滴撞击柱状粗糙铜固体表面的动态行为,分别在液滴速度为2~15(?)/ps、5种方柱高度、6种固体表面特征能和4种不同温度情况下分析液滴的动力学特征;模拟纳米液滴撞击运动(平动和振动)固体表面的过程,分析在3种固体表面平动速度、4种液滴初始速度、4种振动幅度和4种振动周期情况下液滴动态行为;模拟双液滴同时和依次撞击固体表面,探究在4种液滴速度、3种液滴半径比、4种中心距和偏心距的情况下两液滴间的耦合作用对液滴动力学的影响机制,研究结果表明:(1)纳米液滴撞击柱状固体表面时,随着初始速度V0的增加,其最终稳定状态先由Cassie态(V0=2~3(?)/ps)转变为Wenzel态(V0=4~10(?)/ps),然后再次呈现Cassie态(V0=11~13(?)/ps)。当V0>13(?)/ps时,液滴发生弹跳。(2)纳米液滴撞击柱状固体表面时,发现液滴最大铺展时间tmax与V0的关系曲线中存在拐点,并针对不同速度区域提出tmax与V0的关系式。(3)纳米液滴撞击平动表面时,建立液滴在所受摩擦力方向速度变化的数学模型,在液滴与表面的相对滑动阶段,液滴内部水分子运动形式为平动与转动的结合;在两者共速阶段,液滴内部水分子的转动消失;固体表面平动速度增加至9(?)/ps时,液滴在沿固体壁面垂直于相对滑动速度方向出现两次铺展。(4)纳米液滴撞击振动表面时,振幅的增加阻碍了液滴的铺展,振动周期的增加促进液滴铺展;较小的振动周期将使液滴发生弹跳。(5)不等半径的双液滴同时撞击固体表面,半径比增至0.9时,接触后的两液滴在交界处先后出现明显的脊流与射流现象;半径比越接近于1,两液滴接触后聚并速度越快。(6)双液滴依次撞击固体表面时,较大的中心距导致下侧液滴在回缩过程中被迫再次铺展;不同的偏心距使得上侧液滴的铺展形式发生变化,进而影响液滴的铺展长度。
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