疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟.pdf

物 理 学报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．5(2014) 054701 疏水表面滑移流动及减阻特性的 格子Boltzmann方法模拟冰 黄桥高 )2) 潘光 )十 宋保维 ) 1)(西北工业大学航海学院，西安 710072) 2)(九州大学，应用力学研究所，日本福冈816—8580) (2013年 10月l8日收到；2013年 l1月l2日收到修改稿) 采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系，在此基础上进一步模拟 了疏水表面微通道内的流体流动，获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律，证实了疏水表 面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理．结果表明，疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层， 而表观滑移则发生在低密度层上．表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因，减阻效果随滑移长度的增 大而增大．对于特定的流体系统，滑移长度是疏水表面的固有属性，仅是壁面润湿性的单一函数，而与流动本 身的性质无关． 关键词：疏水表面，滑移流动，减阻机理，格子Boltzmann方法 PACS：47．11．Qr，02．60．Cb，47．85．Dh DOI：10．7498／aps．63．054701 滑移量之间的关系 8[】．近几年的一些实验发现液 1 引 言 体在疏水表面容易产生较大的滑移量 [9--10]，这可 能与疏水表面的诸多应用，如减小流体阻力、降低 在经典宏观流体力学的教科书和科技论文 中， 流噪声、海洋防污等有直接关系．但 由于实验条件 几乎都有一个相 同的重要假设：在固体和流体的 和测量精度 的限制，对液体在疏水表面滑移现象的 交界面上没有滑移，即固体和流体在交界面上没有 规律及其机理的认识还非常有限．格子Boltzmann 相对运动，这就是所谓的无滑移边界条件．但是对 方法fLBM)以微观粒子的碰撞和迁移运动为基础， 于微纳米尺度流动，系统极大的面体比使得表面属 没有连续假设的要求，在原理上可 以用于宏观模 性成为影响流动的主导因素，即使是流体在 固体 型失效的小尺度流体系统 [11--13】．Harting等 [14]、 壁面纳米量级的滑移也会给流体输运带来重要影 响 l【，21． Chen等 [151、Zhang等 [161均采用格子Boltzmann方 流体在 固体壁面发生的滑移现象己得到了理 法对微通道 内流体流动进行了模拟研究，证明了无 论和分子动力学模拟研究的支持Is-6】．Cao等 [7] 滑移的润湿边界条件能产生表观滑移，指出滑移流 从分子动力学行为、边界条件、理论模型等方面对 动主要受流体与固体壁面之间相互作用强度的影 微／纳电子机械系统(MEMS／NEMS)中流固界面 响．但他们的研究都没有涉及滑移量与疏水表面减 的滑移流动作 了较全面的综述，并讨论了流固分子 阻效果的关系．本文采用格子Boltzmann方法对疏 种类、粗糙度、润湿性、温度、压力、流体黏度等因素 水表面的流体流动进行数值模拟，分析疏水表面滑 对滑移流动的影响．他还基于分子动力学方法研究