纳微尺度下流体与固体相互作用的理论与模拟研究
在化工生产中，提高化工运输中液体在管内的传输效率、减小化工器械的磨损、减少贵重液滴的残留等都与流体与固体的相互作用息息相关。在过去的几十年里，关于流体与固体相互作用的研究非常广泛。然而，在很多问题上依然存在很大争议，例如液-固粘附力的粘附机理、如何提高液体在管内的传输速率以及如何减小液-固摩擦力。本论文针对纳微尺度下的流体与固体的相互作用，通过使用微观和介观尺度的计算机模拟以及理论来进行研究，研究内容主要包括： 1.粗糙基底上液滴的粘附力测定具有方向依赖性。如何确定液-固表面自由能仍然是一个悬而未决的问题。目前，存在两种主流的理论来确定液滴的粘附力。一种是认为粘附力取决于接触面积和液-固相互作用能，另一种则认为粘附力取决于液-固接触线的长度。在这项工作中，使用三维格子玻尔兹曼方法（LatticeBoltzmannMethod,LBM）研究了液滴与固体基底之间的粘附力到底取决于接触面积还是接触线。研究结果统一了两种现有理论，并证明了测量的粘附力大小取决于测量粘附力的方向，即垂直分离固体基底上的液滴还是横向滑移固体基底上的液滴。要使液滴与粗糙的基底分开，测量的粘附力（拉出力）大小取决于接触面积而不是液-固接触线。然而，当液滴在固体基底上横向滑移时，液滴的粘附力大小取决于接触线长度，而与接触面积无关。 2.基于自由能理论的格子玻尔兹曼方法Ludwig的理论检验。Ludwig是由欧洲原子分子中心（CECAM）的主任IgnacioPagonabarraga团队开发，可用于模拟多组分、多相流，同时具有操作性强、可并行计算的优点。通过两个不同系列的模拟，即相同润湿性的固体基底和互补润湿性的固体基底，来测试Ludwig中流体润湿性是否与理论值匹配。模拟结果表明，当表征固-液相互作用的变量h较小时，模拟得到的液-固接触角与理论值能较好的拟合。当h较大时，模拟得到的液-固接触角与理论值存在一定的偏差。以上研究结果对模拟多组分、多相流相关体系中参数的选取具有一定的指导意义，也为后续的模拟奠定了基础。 3.壁面粗糙度对毛细吸液动力学的影响。牛顿流体在毛细管内的吸入动力学通常用BCLW定律（??~????，其中??为0.5）来描述，即渗透距离与时间的平方根成正比，但最近实验发现许多例外。论文采用双组分的自由能格子玻尔兹曼方法Ludwig研究了化学非均匀性和壁面粗糙度对扩散动力学，特别是BCLW定律中指数幂??的影响。结果发现，壁面化学非均匀性对指数幂??几乎没有影响，但是对物理粗糙度影响显著。当用楔形几何结构取代下层固体基底形成物理粗糙度时，??会受到显著影响，可达到0.7。同时，为验证毛细凝聚对吸入动力学的影响，研究了预先存在的液滴对毛细吸入速率的影响。当液滴存在时，随着液滴体积增大，指数幂??也随之增大，且最大可达到0.9。研究表明，粗糙度的存在可致指数幂??在0.5~1.0之间变化，为解释这种变化，需要同时考虑毛细管中流体惯性效应和粘性效应。 4.限制流体中的分子堵塞最大化液固摩擦。在纳米尺度范围内，纳米流体与主体相流体在传输特性上存在定性差异。论文通过分子动力学模拟发现，混合润滑中固-固接触对液-固摩擦力有极大影响：固-固接触和空间限制会使流体产生分子堵塞效应，抑制液体内部相对运动，从而产生纳米级的新流动结构（论文称之为类柱塞纳米流）。类柱塞纳米流显示出与宏观柱塞流和泊肃叶流不同的特征：分子堵塞导致液-固摩擦力增强，且产生的摩擦力比库埃特流大几个数量级；液-固摩擦力的大小取决于液柱长度和固体基底的润湿性。分子堵塞会诱发液体分子局部压实，从而导致长液柱出现固化现象。 5.摩擦诱导封闭液体固化与摩擦力增强。在本工作中，通过类柱塞纳米流研究纳米尺度的混合润滑，采用分子动力学模拟论证了摩擦增强会引起润滑剂分子由液态向固态的转变。模拟结果表明，孔径和液-固摩擦力之间呈现非线性关系。改变孔的尺寸，会引起不同程度的分子堵塞和液柱结构的转变，进而影响摩擦力。通过对液体的速度、压力和密度分布分析，证实润滑剂分子发生了由液态向类固态的转变。这种转变使得部分液-固摩擦变为固-固摩擦，从而导致了摩擦力与孔径的非线性关系。同时，固化可以通过界面摩擦引起的液体内部压缩来解释。 6.壁面的化学非均匀性产生的锚定力的分子动力学模拟。采用分子动力学（MD）模拟，研究了化学非均匀性对泊肃叶流动和强限制空间下的类柱塞流的影响，尤其是润湿边界对锚定力的影响。对于泊肃叶流，当液柱处于润湿边界时，锚定力开始出现；随着液柱前端接触角的增加，锚定力逐渐增加；当角度达到动态接触角，锚定力达到最大；一旦液柱跨过润湿边界，锚定力消失。强限制空间下的类柱塞流再次验证了液柱跨过润湿边界后，锚定力消失这一结论。然而，在强限制条件下，类柱塞流会产生极大的摩擦力掩盖锚定力存在的信号。 7.毛细现象引起的负压能够导致自发空化。毛细作用引起的负压对于理解液体在小孔和裂缝中的相行为具有重大意义，例如植物木质部内的栓塞形成机制。具体来说，栓塞的产生是由于叶细胞壁中纳米尺寸毛细管内的水分蒸发而产生负压，当负压超过阈值时产生快速的相变（空化）。论文运用分子动力学（MD）模拟和经典成核理论相结合的方法研究了毛细引起空化现象背后的基本问题：毛细管内负压产生过程以及产生的负压对空化发生的影响。毛细管的亲水性导致受限液柱的液/气界面呈凹形，从而使得毛细管中的液体处于负压下。当负压低于一定值时，可在固体基底（特别是疏水基底）上自发空化。因此，毛细诱导空化是由固体基底的疏水性以及毛细管的亲水性共同决定的。疏水的固体基底提供空化的成核位点，亲水的毛细管提供空化所需要的负压。模拟结果还表明，毛细引起的空化可以很好的用经典成核理论中的非均相成核进行描述。
粘附力;摩擦力;锚定力;毛细吸入过程;格子玻尔兹曼;分子动力学
北京化工大学
博士
化学工程与技术
张现仁
2022
中文
TQ021.1
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）