Fund Project:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51676130)
Received Date:24 January 2021
Accepted Date:17 February 2021
Available Online:20 June 2021
Published Online:20 July 2021
Abstract:In order to understand the evolution and flow structure within vertical vibrating droplets on hydrophobic surfaces, a three-dimensional model of the vibrating droplet is developed, and the dynamic contact angle of the vibrating droplet is considered. The numerical simulations are performed for the droplet attached to the vertical vibrating plane by the VOF-CSF method, and the four resonance modes of the droplets are obtained. The evolution of modes (2, 4, 6, and 8), internal flow structures and the variation of the dynamic contact angle are predicted. With the change of the vibration acceleration, the droplet can express a wealth of modes, and the specific mode depends on the frequency of the vibrating acceleration. Based on this model, in this paper the internal flow field structure of the droplet is further analyzed. In mode 2 and mode 4, a Y-shaped flow is generated from the bottom of the droplet, while in mode 6 and mode 8, there is a symmetrical eddy flow. And the higher the order of the resonance mode, the larger the average value of the internal velocity of the droplet is. The dynamic contact angle of the vibrating droplet obviously deviates from the static contact angle, indicating the necessity to consider the dynamic contact angle in simulating the vertical vibrating of droplet. The simulation results are compared with the experimental results from the literature, showing that they are in good agreement with each other. Keywords:vibration droplet/ modes/ micro-flow/ numerical simulation
图 3 液滴在2, 4, 6和8共振模态下一个振动周期内形貌变化的实验[21]与模拟结果对比 Figure3. Comparisons between the experimental[21] and simulation results of the droplet shape evolution during one cycle of the vibration at resonance modes 2, 4, 6 and 8.
23.3.液滴振动过程的内部流场结构 -->
3.3.液滴振动过程的内部流场结构
目前关于液滴垂直振动的研究主要是通过实验测定液滴振动周期、形状、内部流动方式, 由于实验测量时存在透镜效应, 导致无法准确测量液滴自由界面附近边缘层的流动特征. 为了进一步了解液滴垂直振动时的运动规律, 模拟三维液滴在共振模态2, 4, 6和8下的运动情况, 获得液滴内部的流场结构. 图4是液滴在模态2, 4, 6和8下内部流场的三维视图, 可以看出在每种模态下, 液滴内部的微流动都呈现轴对称的涡流动. 液滴在模态2和4下, 液滴中心流动向上呈现“Y”型, 周围伴随着涡流动; 而在模态6和8时, 液滴中心流动向上到达液滴顶部, 周围同样伴随着涡流动. 为了进一步了解液滴内部的流场结构, 在图5中对液滴内部的二维剖面进行分析并与实验结果对比. 图5是2, 4, 6和8模态下液滴内部的速度场模拟结果与实验结果[20]对比, 左侧是液滴内部流动的可视化实验结果, 右侧是模拟的液滴内部速度流线图. 随着模态阶数的增加, 多样化的流动模式得到了体现. 图 4 在2, 4, 6和8模态下液滴内部的三维流场图 Figure4. The three-dimensional flow field inside the droplet at modes 2, 4, 6, and 8.
图 5 液滴在2, 4, 6和8共振模态下内部流动结构的实验[20]与模拟结果对比 (a) 模态2; (b) 模态4; (c) 模态6; (d) 模态8 Figure5. Comparisons between the experimental[20]and simulation results of the internal flow structure of the droplet during the vibration at modes 2, 4, 6 and 8: (a) Mode 2; (b) mode 4; (c) mode 6; (d) mode 2.
表2液滴在模态2, 4, 6和8下中心底部的平均垂直速度的实验[20]与模拟对比 Table2.Comparisons between the experimental[20] and simulation results of averaged vertical velocity at the central bottom region of the droplet in modes 2, 4, 6, and 8.
图6为液滴完整区域在2, 4, 6和8模态下的平均速度随时间的变化曲线图. 从图6中可以看出, 四种模态下的液滴平均速度皆呈现正弦波动变化趋势, 且平均速度的峰值按模态阶数的高低排序, 在模态8时的液滴平均速度峰值达到最大. 在模态2时由于振动频率较低, 液滴内部速度变化趋于平缓, 而其他高频模态下液滴速度波动较大. 图 6 在2, 4, 6和8共振模态下液滴内部平均速度随时间的变化 Figure6. The variations of the velocity with time at modes 2, 4, 6, and 8.
23.4.液滴振动过程中动态接触角的变化 -->
3.4.液滴振动过程中动态接触角的变化
液滴在随基板垂直振动过程中, 由于接触角的变化量不为零, 因此有必要考虑接触角变化对液滴振动形态演变的影响. 如图7所示, 考虑动态接触角模拟得到的模态2液滴振动幅值随时间变化曲线(Num.1)和考虑静态接触角模拟得到的模态2液滴振动幅值曲线(Num.2)具有相似的趋势, 但在峰值上有一定的差异, 曲线(Num.1)和实验测得的幅值变化曲线(Exp.)更为接近. 不考虑动态接触角就会导致模拟的液滴高度偏低, 从而影响准确模拟液滴形态演化. 所以, 模拟中考虑了动态接触角的影响. 图 7 在模态2时液滴振动幅值随时间的变化. Num.1: 动态接触角; Num.2: 静态接触角; Exp.: 实验[20] Figure7. The variations of droplet vibration amplitude with time at mode 2. Num.1: dynamic wetting angle; Num.2: static contact angle; Exp.: experiment[20].
图8给出了在4种模态下液滴的动态接触角随时间的变化规律. 从图8中可以看到, 在四种不同模态下, 液滴的动态接触角都是以先增大到波峰再减小到波谷这样的趋势变化. 当施加振动加速度后, 液滴的接触线受振动作用, 液滴从接触线附近开始加速运动, 动态接触角开始增大, 此时动态接触角大于静态接触角为前进接触角. 随着振动持续液滴表面形成波瓣导致液滴变形, 液滴边缘的压力逐渐增大, 并且受到黏性阻力和毛细力的阻碍作用, 液滴的运动开始减速, 前进接触角开始减小, 造成接触线停止前进运动, 此时动态接触角接近于静态接触角115°. 由于液滴边缘积累了一定的压力, 在这个压力的作用下, 液滴开始做回复运动, 并造成接触线的加速后退, 动态接触角变小, 此时动态接触角小于静态接触角115°为后退接触角; 随着回复运动的进行, 液滴边缘压力变小, 接触线的后退开始减速, 后退接触角增大直至接近静态接触角. 随着液滴振动的进行, 接触线的前进与后退运动重复之前的变化规律, 动态接触角也随之变化. 图 8 在2, 4, 6和8共振模态下液滴动态接触角随时间的变化 Figure8. The variations of the dynamic contact angle with time at modes 2, 4, 6, and 8.
液滴在振动过程中会经历铺展和收缩两个过程, 图9为振动周期内液滴润湿面积在2, 4, 6和8共振模态下的变化曲线, 润湿面积皆呈现正弦波动变化趋势, 液滴初始润湿面积约为3.4 mm2. 从图9中可以看出, 振动开始时, 液滴的润湿面积逐渐增大, 在大约$\dfrac{1}{4}$T时液滴的润湿面积达到最大值(波峰), 但是接触线并没有停止运动, 而是开始收缩, 润湿面积开始缩小; 在大约$\dfrac{3}{4}$T时, 液滴的润湿面积达到最小值(波谷), 此时接触线速度接近于零, 再之后润湿面积又开始增大重复之前的铺展和收缩运动. 图 9 在2, 4, 6和8共振模态下液滴润湿面积随时间的变化 Figure9. The variations of the wetting area with time at modes 2, 4, 6, and 8.