疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟 - 物理学报.PDF

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疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟 - 物理学报

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 5 (2014) 054701 疏水表面滑移流动及减阻特性的 格子Boltzmann方法模拟 黄桥高 潘光 宋保维 1)(西北工业大学航海学院, 西安 710072) 2)(九州大学, 应用力学研究所, 日本福冈816-8580) ( 2013 年10 月18 日收到; 2013 年11 月12 日收到修改稿) 采用格子Boltzmann 方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系, 在此基础上进一步模拟 了疏水表面微通道内的流体流动, 获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律, 证实了疏水表 面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理. 结果表明, 疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层, 而表观滑移则发生在低密度层上. 表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因, 减阻效果随滑移长度的增 大而增大. 对于特定的流体系统, 滑移长度是疏水表面的固有属性, 仅是壁面润湿性的单一函数, 而与流动本 身的性质无关. 关键词: 疏水表面, 滑移流动, 减阻机理, 格子Boltzmann 方法 PACS: 47.11.Qr, 02.60.Cb, 47.85.Dh DOI: 10.7498/aps.63.054701 8 滑移量之间的关系 . 近几年的一些实验发现液 1 引 言 体在疏水表面容易产生较大的滑移量910 , 这可 能与疏水表面的诸多应用, 如减小流体阻力、降低 在经典宏观流体力学的教科书和科技论文中, 流噪声、海洋防污等有直接关系. 但由于实验条件 几乎都有一个相同的重要假设: 在固体和流体的 和测量精度的限制, 对液体在疏水表面滑移现象的 交界面上没有滑移, 即固体和流体在交界面上没有 规律及其机理的认识还非常有限. 格子Boltzmann 相对运动, 这就是所谓的无滑移边界条件. 但是对 方法(LBM) 以微观粒子的碰撞和迁移运动为基础, 于微纳米尺度流动, 系统极大的面体比使得表面属 没有连续假设的要求, 在原理上可以用于宏观模 性成为影响流动的主导因素, 即使是流体在固体 型失效的小尺度流体系统1113 14 壁面纳米量级的滑移也会给流体输运带来重要影 . Harting 等 、 15 16 12 Chen 等 、Zhang 等 均采用格子Boltzmann 方 响 . 流体在固体壁面发生的滑移现象已得到了理 法对微通道内流体流动进行了模拟研究, 证明了无 论和分子动力学模拟研究的支持36 . Cao 等7 滑移的润湿边界条件能产生表观滑移, 指出滑移流 从分子动力学行为、边界条件、理论模型等方面对 动

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