【摘 要】
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随着微纳加工技术的高速发展,微纳撞击液滴不仅引发了传统技术的重大变革,同时推动了能源、航空航天、相变储能、强化传热、医疗保健等诸多领域高新技术的孵化。然而,由于尺度效应的作用,纳米液滴撞击固体表面的动力学特性不同于宏观尺度液滴。目前,有关纳米液滴撞击的研究处于起步阶段,尚未得到全面的规律,更没有建立纳米液滴撞击相图。本文研究了纳米液滴撞击固体表面动力学特性,揭示了纳米撞击液滴的尺度效应和能量转换机
【基金项目】
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国家杰出青年科学基金(项目编号:51525602); 国家自然科学基金重点项目(项目编号:51936004); 华北电力大学中央高校基本科研业务费项目(项目编号:2019QN015);
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随着微纳加工技术的高速发展,微纳撞击液滴不仅引发了传统技术的重大变革,同时推动了能源、航空航天、相变储能、强化传热、医疗保健等诸多领域高新技术的孵化。然而,由于尺度效应的作用,纳米液滴撞击固体表面的动力学特性不同于宏观尺度液滴。目前,有关纳米液滴撞击的研究处于起步阶段,尚未得到全面的规律,更没有建立纳米液滴撞击相图。本文研究了纳米液滴撞击固体表面动力学特性,揭示了纳米撞击液滴的尺度效应和能量转换机制,构建了纳米液滴撞击固体表面的相图,为微纳加工和纳米制造等高新技术提供理论指导和帮助。首先,本文采用分子动力学模拟方法,构建了纳米液滴撞击光滑中性固体表面的二维相图(以We和Oh数为坐标轴构建)。比较分析了宏观和纳米尺度液滴撞击相图,发现了纳米液滴与宏观液滴撞击相图主要的几个区别,包括主导作用力分区、不同区域的产出物、产出物的动力学关键参数以及产出物的临界判据的差异。揭示了尺度效应(粘性效应和界面效应)是造成纳米液滴撞击的相图发生改变的根本原因。其次,划分了纳米液滴撞击固体相图的不同主导作用力区域。基于纳米液滴撞击固体表面的最大铺展时间,确定了纳米液滴撞击相图毛细区(惯性力和毛细力作为撞击液滴的主导作用力)最大铺展时间的标度定律以及粘性区(惯性力和粘性力作为撞击液滴的主导作用力)最大铺展时间的标度定律。通过插值毛细区与粘性区的标度定律,得到了纳米液滴撞击相图的主导作用力分区准则数。此外,建立了纳米液滴撞击固体相图的动力学关键参数理论模型。通过分析低粘度到高粘度不同种类纳米撞击液滴的速度梯度分布,揭示了纳米撞击液滴的粘性耗散机制。修正了纳米撞击液滴粘性耗散的理论表达式,建立了纳米液滴撞击固体表面最大铺展因子的理论模型。进一步分析了表面浸润性对纳米撞击液滴最大铺展直径的影响,建立了适用于不同浸润性表面的纳米撞击液滴最大铺展因子通用的理论模型。基于Rayleigh-Taylor不稳定理论,建立了快速飞溅的指状射流个数理论模型。最后,研究了纳米液滴撞击固体相图的产出物机制与临界判据。比较分析了宏观和纳米尺度液滴飞溅特性的差异,揭示了纳米液滴三种飞溅模式的机制,包括快速飞溅、内部破碎以及冠状飞溅,建立了纳米液滴内部破碎的阻尼振荡理论模型,建立了纳米液滴撞击固体相图快速飞溅的临界判据,进一步分析了表面浸润性对纳米液滴快速飞溅和内部破碎的影响。
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