[發(fā)明專利]液滴在傾斜親水表面上輪廓曲線和前(后)向接觸角的求取方法

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• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112380789A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發(fā)明（設計）人: 董健;郭有海;胡光輝;卞銀波;趙逸平;潘新科;胡建良;張王明
• 申請（專利權）人: 浙江工業(yè)大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F17/11;G06F17/15;G06F111/10;G06F113/08
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵

一種液滴在傾斜親水表面上的輪廓曲線和前(后)向接觸角的求取方法，包括：(1)定義液滴和傾斜親水粗糙表面的系統(tǒng)，其中傾斜親水粗糙表面上周期性分布著微柱；(2)基于最小能量原理，采用非線性優(yōu)化和有限差分算法推導出Wenzel態(tài)液滴在傾斜表面上的系統(tǒng)無量綱自由能方程，并簡化計算式；(3)優(yōu)化計算初始狀態(tài)下液滴在傾斜親水表面上的總的最小無量綱自由能E′_wmin?2和前向接觸角θ_1?0、后向接觸角θ_2?0、三相接觸線長度l₀；(4)計算當液滴在傾斜粗糙表面上三相接觸線長度l_given已知時，液滴的前向接觸角θ_1?*和后向接觸角θ_2?*。本發(fā)明解決了液滴在傾斜親水粗糙表面的液滴輪廓分析和動態(tài)接觸角理論計算問題。

技術領域

本發(fā)明具體涉及一種求取液滴在傾斜親水表面輪廓曲線和前(后)向接觸角的方法。

背景技術

液滴在表面的運動是在日常生活中以及在許多工業(yè)環(huán)境的應用中都可以觀察到的一種現(xiàn)象如：涂層工藝、燃燒工藝、殺蟲劑粉碎、自清潔表面、自集水表面、微流控芯片等領域。研究液滴在傾斜親水粗糙表面上的運動狀態(tài)是潤濕和擴散力學中的一個基本問題，有助于更好地理解如何操縱液滴在親水表面上的運動狀態(tài)。顯而易見，液滴在傾斜親水表面上有兩種主要的運動狀態(tài):粘附和尺蠖滑動。但由于液滴的表面傾角、液滴形狀、液滴前進(后退)接觸角和液滴的動態(tài)接觸線特性等因素的影響，液滴在傾斜親水粗糙表面上的運動狀態(tài)預測較為復雜和困難。因此，通過數(shù)值計算分析液滴在傾斜表面上的輪廓曲線和液滴前(后)向接觸角對分析液滴的運動狀態(tài)至關重要。目前，在傾斜親水表面上進行數(shù)值方法有的是通過使用JADIM代碼中開發(fā)的流體體積(VOF)求解器來計算液滴輪廓和接觸角，但針對粗糙表面而言計算量較大，該數(shù)值方法不適合粗糙表面上的液滴形態(tài)。因此，研究者們一直在努力探究較好的傾斜粗糙表面上動態(tài)接觸角測量技術。

隨著對這一問題的深入研究，通過基于最小能量理論采用非線性優(yōu)化的有限差分法，結合MATLAB軟件中“fmincon”函數(shù)編程的代碼實現(xiàn)了傾斜親水粗糙表面上的液滴輪廓曲線和前(后)向接觸角的計算。并通過實驗進行驗證，在給定表面和液滴的幾何參數(shù)下得出液滴輪廓曲線和動態(tài)接觸角測量結果。從理論上推導出可行的液滴接觸角的計算方法，把該計算方法應用于實際的接觸角計算中，對于研究液滴在傾斜親水表面的動態(tài)性能和微流體系統(tǒng)的設計應用中具有重要指導意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術的上述缺點，提出了一種液滴在傾斜親水粗糙表面上重輪廓曲線和前(后)向接觸角計算方法，獲得表面上液滴輪廓曲線和前(后)向接觸角。

一種液滴在傾斜親水表面上的輪廓曲線和前(后)向接觸角的求取方法，包括以下步驟：

(1)定義液滴和傾斜親水粗糙表面的系統(tǒng)，其中傾斜親水粗糙表面上周期性分布著微柱，該系統(tǒng)的幾何尺寸為：微柱的直徑a、微柱間距d、微柱的高度h、表面傾角φ。選擇粗糙表面作為XOY平面，將液滴的接觸面對稱軸的交點作為原點O和沿斜面上升的方向定義為正的Y方向。垂直于表面和液滴曲率的方向定義為正Z方向，由內(nèi)向外指向且垂直于YOZ平面的方向定義為X軸。定義從O到液滴曲率上的一點的距離為矢徑其中方位角β(-π≤β≤π)表示從X軸正方向到在XOY平面上投影之間的夾角，頂角表示從Z軸正方向到之間的夾角。被定義為r(β,α)。

(2)基于最小能量原理，采用非線性優(yōu)化和有限差分算法推導出Wenzel態(tài)液滴在傾斜表面上的系統(tǒng)無量綱總能量方程，并簡化計算式；

21.選擇由基底和微結構均為親水材料組成的表面，液滴在傾斜親水表面上潤濕接觸狀態(tài)為Wenzel狀態(tài)。

液滴的體積可以表示為：

對于下面的算法，定義了r(β,α)＜r_max來控制液滴輪廓曲線，r_max可以表示為