【摘 要】
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两种互不相溶的流体互相驱替的现象在自然界和工业领域中有着重要应用,也是界面流体力学关注的重要问题。在驱替的过程中,界面由稳定弯月面状态到失稳发生润湿转换,其中包含了移动接触线的动力学和固体基底表面的三维效应,对其机理的探究可以助力工艺技术的快速提高。本文通过实验的手段对复杂几何壁面上的两相驱替问题进行了研究,主要的工作和研究成果如下:(1)实验研究了部分浸润的水平圆形毛细管中的润湿转换问题,主要关
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两种互不相溶的流体互相驱替的现象在自然界和工业领域中有着重要应用,也是界面流体力学关注的重要问题。在驱替的过程中,界面由稳定弯月面状态到失稳发生润湿转换,其中包含了移动接触线的动力学和固体基底表面的三维效应,对其机理的探究可以助力工艺技术的快速提高。本文通过实验的手段对复杂几何壁面上的两相驱替问题进行了研究,主要的工作和研究成果如下:(1)实验研究了部分浸润的水平圆形毛细管中的润湿转换问题,主要关注发生润湿转换时的临界驱替速度、接触线速度的变化以及驱替速度对气泡长度和液塞长度的影响。当驱替速度低于临界值时,气液界面呈现稳定弯月面结构并以恒定速度向前运动。当速度超过临界值时,接触线速度突然下降,并在管壁上拉出一层液膜:在接触线附近,液膜结构为山脊形凸起,其体积不断增大并最终闭合,从而生成Taylor气泡。该过程不断重复,产生周期性的气泡结构。随着驱替速度的增加,气泡长度逐渐增大,而气泡之间的液塞长度逐渐减小,最后趋于稳定值。气泡运动速度和长度的实验结果和Bretherton(1961a)以及Gao et al.(2019)理论结果对比良好。(2)实验研究了部分浸润液体(接触角约为100°)在方形毛细管中的气液两相驱替问题,主要关注两相驱替的润湿转换现象、接触线动力学和管内气泡的运动变化。驱替过程中,随着驱替速度的不断增长,有四种典型的流动模态:(ⅰ)稳定运动的弯月面;(ⅱ)内角顶点两侧薄液丝的脱落和破裂;(ⅲ)角落处粗液丝产生和自发缩回;(ⅳ)角落处液丝和壁面上液膜共存,产生Taylor气泡。实验验证了方管内气泡的横截面近似为圆形,同时提出了预测液膜厚度的经验关系式。在此基础上,提出了与实验结果一致的气泡长度和速度的计算公式。(3)实验研究了部分浸润(接触角约为49°)的竖直方形毛细管内气液两相驱替问题,主要关注方形管内移动接触线的运动、内壁液膜的演化规律和管道内气泡的动力学。研究发现,方管内气液驱替呈现五种界面模态:(ⅰ)稳定弯月面结构;(ⅱ)四个内角的接触线两侧拖出细液丝,并破裂成小液滴结构;(ⅲ)内角处的液体率先发生润湿转换,拖出粗液丝,粗液丝两端连接两条细液丝;(ⅳ)壁面上发生润湿转换,第一个凸起结构不稳定导致第二个凸起产生;(ⅴ)只产生一个凸起液膜结构,并直接闭合生成气泡。实验给出了五种模态之间的临界驱替速度,也给出了发生润湿转换之后液丝和液膜的回缩速度随驱替速度的变化。作为补充,进一步研究了方形管道内气泡竖直上升的运动规律,发现方管内气泡上升速度不变时存在临界气泡长度,并给出了气泡上升速度随管径大小变化的实验结果,与理论结果符合较好。(4)实验研究了液滴在倾斜角落内滑下的形态,主要关注液滴演化规律、移动接触线的运动和液滴演化的几何形状。当倾斜角度很小时,液滴下落非常缓慢,其形状可以被描述为垂坠状液滴。当倾斜角度适中时,在液滴尾部形成一条尾迹。当倾斜角度进一步增加时,液滴尾部出现上下两段不同宽度的液丝,并且细液丝最终拉断。实验给出了三种模态出现的临界倾斜角度以及接触线速度随倾斜角度的变化。进一步研究了液丝的形态结构。
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