基于SDPD的动态浸润研究

土俊鹏，刘汉涛,李海桥

(中北大学能源动力工程学院，山西 太原 030051)

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51976203）

作者简介：土俊鹏（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为介观尺度液滴动态浸润，18435132237@163.com.

通讯作者：刘汉涛，男，教授，lht@nuc.edu.cn.

摘要：材料表面浸润性能的研究具有非常重要的意义，具有超亲水和超疏水性能的材料为开发特殊功能器件提供了可能。基于光滑耗散粒子动力学(SDPD)方法的多相流模型对超亲水和超疏水浸润现象进行了研究，结果表明：接触角为30°~135°时，模型能基本满足计算精度的要求，但超出这个范围，计算结果的误差较大。通过系统分析，为计算误差偏大的各类浸润问题的研究提出了改进建议。

关键词：光滑耗散粒子动力学；接触角；介观尺度；多相流；浸润

中图分类号：O351.2   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)04-0101-06

随着对自然界浸润现象的深入研究，各种结构表面的浸润性能受到了广泛关注，目前不同浸润性表面仿生材料的开发与应用成为科学研究的热点和难点之一^［1-3］。在表面材料浸润性能的研究过程中发现，材料自身属性起着非常重要的作用，多相间表面张力的协同作用是决定表面材料性能的最重要因素之一^［4-6］。多相间表面张力的相互作用是一个复杂的动态过程，这个过程涉及到流体结构大变形，且本质上是一个跨尺度的复杂物理现象。对动态浸润问题进行实验研究是非常困难的，很难复现动态浸润过程中的真实物理条件和流体动力学行为。数值模拟技术的发展给深入研究动态浸润问题提供了便利，但基于网格的流体模拟方法很难捕捉多相间复杂的界面力学行为，在处理动态浸润过程中涉及的流体结构大变形还会遇到网格畸变等固有问题的困扰。无网格方法在处理上述问题时具有独特的优势，其中光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)作为最早的无网格方法之一，在研究多相流动等复杂流体动力学行为时受到了广泛关注^［7-8］。然而，SPH是一种宏观尺度的计算方法，不能准确刻画复杂流体动力学行为中的多尺度机理^［9］，因此Espaol等^［10-11］将SPH和与耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)无网格方法相结合，提出了光滑耗散粒子动力学(smoothed dissipative particle dynamics, SDPD)方法。与DPD方法一样，SDPD中考虑了粒子的热运动，引入了随机运动，可以描述介观系统的随机振荡，因此SDPD能够从介观尺度上揭示浸润问题内部复杂的流体动力学行为。但欲真正揭示浸润问题的内部机理，准确描述气体、液体以及固体间复杂的界面张力是需要解决的最关键的问题之一^［12］。鉴于SDPD方法自身的优势和特点，近年来已经应用到研究复杂多相流问题中^［13-14］，其中Hu等^［15］构建的多相流模型受到了广泛关注，虽然该模型在研究固体表面上的浸润问题已有较多的应用，但很少有该模型在通用性方面的研究。本文基于Hu等提出的SDPD模型，不仅研究了普通的亲疏水问题，还研究了超亲疏水问题，通过系统地对比研究，结合研究成果和动态浸润过程中流体动力学行为，对利用SDPD模型研究浸润问题的通用性进行讨论，同时对该模型存在的问题进行剖析，并给出改进意见。本文的工作为揭示浸润问题的本质提供了理论依据，同时为SDPD方法的发展和改进打下了理论基础。