基于SPH方法的可湿润性固壁边界条件模拟研究[†]

王志超^1[‡], 李大鸣^2[§]

¹江西省水利科学研究院，南昌 330029

²水利工程仿真与安全国家重点实验室（天津大学），天津 300073

摘要: 液滴撞击固体壁面是一种常见的自然现象和工业过程，在这些现象和过程中液滴运动往往受到壁面可湿润性的影响。本文提出了一种可湿润性固壁边界条件的计算方法，即假设壁面粒子的亲水性以及毛细吸附作用统一表现为对支持域内流体粒子的吸附力。吸附力的大小与流体压强、材料饱和度及亲水性有关。基于光滑粒子流体动力学（SPH）方法，模拟了静态液滴在不同可湿润性壁面上的变形和稳定过程。考虑壁面可湿润性的影响下，模拟了液滴撞击疏水壁面的过程。结合试验数据，分析了壁面可湿润性对液滴运动过程的影响。研究表明：根据模拟液滴静态接触角的变化特点，本文可湿润性固壁边界条件可以较好的反映出壁面可湿润性；液滴撞击输水表面模拟数据与试验结果趋势上吻合良好，液滴回弹时在壁面可湿润性的影响下形成液柱；壁面可湿润性对撞击后液滴的铺展过程影响很小，在该阶段壁面摩擦力起主要作用，回缩和回弹阶段壁面可湿润性的对液滴运动特征的影响较明显。

关键词: SPH; 可湿润性; 固壁边界条件

参考文献

[1] 马理强, 刘谋斌, 常建忠, 等. 液滴冲击液膜问题的光滑粒子动力学模拟[J]. 物理学报, 2012, 61(24): 244701.

[2] Meng S, Yang R, Wu J-S, et al. Simulation of droplet spreading on porous substrates using smoothed particle hydrodynamics[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 77: 828–833.

[3] Pitambar R, Amaresh D. Influence of viscosity ratio and wettability on droplet displacement behavior: A mesoscale analysis[J]. Computers & Fluids, 2014, 102: 15-31.

[4] Kang Q, Zhang D, Chen S. Displacement of a two dimensional immiscible droplet in a channel[J]. J Fluid Mech, 2005, 545: 41-66.

[5] Monaghan J J. Simulating free surface flows with SPH[J]. J. Comput. Phys., 1994, 110: 399-406.

[6] Liu M B, Liu G R. Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH): an Overview and Recent Developments[J]. Archives of Computational Methods in Engineering, 2010, 17(1): 25-76.

[7] 白玲. 基于范德瓦耳斯理论的气液相变SPH数值模拟研究：[博士学位论文], 天津: 天津大学, 2014.

[8] Mao T, Kuhn D C S, Tran H. Spread and Rebound of Liquid Droplets[J]. AIChE Journal, 1997, 43(9): 2169-2179.