电场作用下纳米液滴撞击固体表面的分子动力学研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:radarcauc
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液滴对固体表面的撞击是自然界和工农业生产中最常见的现象,如雨水的降落、喷洒农药、表面清洁、3D打印等。受到了重力、惯性力、表面张力和粘性力的作用的同时,液滴撞击表面过程总会伴随着能量与质量的交换。在液滴撞击过程中施加电场,在工业生产中也有着重要的应用前景。而电场的施加使纳米液滴撞击过程的作用力种类和数量发生改变,相对应的撞击过程的动力学参数如铺展半径、恢复系数等也有所不同。电场作用下纳米液滴撞击固体表面的研究仍处于起步阶段,是当前亟待解决的问题。分子动力学方法可以在纳米尺度重现实验过程,被认为是解决微纳系统中时间和空间限制问题的理想方法。目前分子动力学成为了研究微观尺度液滴撞击现象及其机理的有效手段。本文使用分子动力学模拟方法,对电场作用下微尺度液滴撞击固体表面的运动行为及其机理进行研究,旨在明晰纳米液滴撞击过程中电场的参与方式,为微纳尺度液滴撞击更广泛、更高效的应用提供理论指导和技术支撑。本文的主要工作及成果如下:本文发现了纳米水液滴在疏水表面上的铺展行为受到了电场力的影响。电场增强了最大铺展因数βmax,特别是对于大于0.1 V (?)-1的强电场作用。而当场强保持恒定时,铺展半径与电场方向无关。纳米液滴在撞击前的纵横比小于1时.,最大铺展半径与液滴的形状无关。由于电场会改变液体的表面张力,从而改变毛细管力,因此提出了一个考虑介电常数和电导率、初始液滴形状和场强影响的因数Φ来修正表面张力。推导了一种分析模型来预测在垂直电场作用下影响纳米液滴的最大铺展因数。该模型在低雷诺数范围内与分子动力学模拟显示出良好的一致性。纳米液滴以一定的速度撞击超疏水表面后可能发生弹跳,本文发现了垂直方向电场的施加也让这种现象变得明显。使用电场强度作为参数,确定了两种弹跳分区:惯性力弹跳(IFR)区(E<0.08V(?)-1)和电场力弹跳(EFFR)区(E>0.08 V (?)-1)。在IFR弹跳区,恢复系数εb是常数,接触时间τc比没有电场时短。在EFFR区,εb与电场强度成正比,τc随着场强的增加而减小。在分隔两个区域的边界上(大约0.08 V (?)-1),由于液滴的形状变形,εb和τc都急剧增加。液滴在IFR范围内以球体的形状反弹,在EFFR范围内以长条状反弹。提出了一种基于εb、韦伯数、特征长度和新因子Φ的弹跳新判据,它决定了纳米液滴在垂直电场下的弹跳。该判据表明,当液滴以低速撞击表面时,施加电场可能会使液滴的弹跳。发现了除了场强,电场方向也在一定程度上影响纳米液滴撞击固体表面的结果。与固体表面成倾斜角α=0°、30°、45°、60°和90°的电场改变了纳米液滴的弹跳动力学,尤其是当电场强度高于0.08V (?)-1时。当电场方向不与表面平行且强度大于0.08V (?)-1时,恢复系数εb则显著增大。施加α=60°和>0.08V (?)-1的电场则将导致纳米液滴的最大弹跳速度。当E>0.08V (?)-1时,接触时间被垂直电场延长。当撞击速度不足以反弹液滴时,所有方向的电场都能够促进液滴的弹跳。构建了电场作用下纳米液滴撞击固体表面的产物相图。撞击动力学受表面润湿性、撞击速度和电场强度的影响。在不同的条件下,液滴撞击的产物有所不同,而电场作用也改变了纳米液滴撞击固体表面的产物。在强电场作用下发现了四种新的液滴撞击产物,包括拉伸-铺展、拉伸反弹、拉伸飞溅和拉伸破碎。强电场会提高撞击液滴的表面能,使纳米液滴更容易铺展、弹跳、变形和蒸发。飞溅/破碎的边界与电场强度无关,而弹跳和沉积的速度边界则被电场降低。无论撞击速度如何,纳米液滴都易于在疏水表面上的强电场下弹跳。
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