附着滴在粗糙多孔介质表面铺展渗透的数值研究

邓辉良， 李培超

(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院， 上海 201620)

润湿现象在日常生活和工业中都很普遍，在这些现象中，液滴在多孔介质上的铺展和渗透对于实际应用有着至关重要的作用。例如农药喷洒、喷墨打印、电解质流动、强化采油和火灾的扑救及内燃机喷油嘴的喷射等都会有液滴和壁面间的相互作用[1-5]。当液滴在多孔基板表面扩散时，液相动力学产生于多孔介质内部毛细渗透与表面接触线运动之间的复杂耦合。

1992年，Chandra等[6]对液滴撞击多孔陶瓷壁面后，液滴的变形和扩散进行了摄影记录。研究发现，在液滴撞击的初始阶段，在多孔和不锈钢表面上的液滴铺展面积和铺展速度的变化与温度无关，分析表明这一结果归因于可忽略的表面张力和粘滞效应。Starov等[7]通过实验研究了小硅油滴在各种干厚多孔衬底上的扩散行为，他们观测了多孔表面液滴半径和润湿区半径的时间演变。Leang等[8]利用高速成像技术对多孔层自吸的动力学和力学特性进行了实验研究，研究证明了溶剂渗透是造成系统中粘性组分出现的原因。由于实验受到设备、环境和人为因素的影响，且当液滴撞击速度很大时无法清楚地观察液滴铺展和渗透的具体状况，而数值模拟刚好可以弥补实验研究的不足；数值模拟不仅可以给出多孔介质外液滴的演化过程，而且可以描述多孔介质内的流体流动。Espin等[9]以润滑理论模型为框架，推导出液滴在考虑多孔基底表面粗糙度时的扩散和吸收的数学模型，并进行了数值模拟，研究了渗透率和粗糙度对轴对称液滴扩展的影响。……