微流控薄液膜边缘边界层重构机理及其传热传质特性研究

Study of the interface phenomenon and the influence of surface energy modulation is necessary to develop and optimize the flow control devices based on the free surface. It is very important to control the boundary layer reconstruction phenomenon under the force of liquid membrane and its heat and mass transfer. The purpose of the project is to study the heat and mass transfer and the reconstruction mechanism in the edge boundary layer. The simulations research of the liquid film edge of different medium characteristics on different treatment surface, and study the critical condition of edge boundary layer reconstruction and flow field characteristics under the force of wetting、convection and evaporation, which provide the theoretical and experimental basis for the development and optimization of the liquid film and bubbles in flow control operation of the multifunctional devices.

开发和优化基于自由表面流的流控器件，需要考虑界面现象及表面能调制的影响。控制液膜边缘在外力及传热传质作用下的边界层重构现象是非常重要的。项目对薄膜流动界面边缘边界层重构机理及传热传质特性进行研究。对不同处理表面上的不同工质特性的液膜边缘形态及润湿、对流、蒸发耦合作用下边缘边界层重构临界条件和流场特性进行模拟研究，为发展和优化薄膜、液滴和气泡进行流动控制操作的多功能装置提供理论和实验依据。

延展薄液膜边缘形状及其表面运动特性为研究对象，分别从宏观以及微观层面针对其机理进行解释，基于LBM方法建立扰流柱运动破坏边界层的流动模型，分析具有不同迎流面形状的扰流柱对流场流动特性及边界层厚度的变化的影响，完成边界层重构机理研究。探索了流场中颗粒的运动规律以及影响因素，分别采用MD方法以及fluent方法模拟液滴在加热金属平板上的蒸发特性，获得不同温度及表面结构下传热传质对液滴高度、液滴接触角和液滴体积随时间的变化关系的影响曲线。基于LBM方法模拟液滴在水平以及倾斜表面上的运动特性，分析不同润湿性、粗糙度以及风力扰动对其运动特性的影响，采用CLSVOF方法建立了液滴撞击不同固体表面的三维数值模型，分别对液滴撞击平板表面以及不同类型的微尺度沟槽表面的动态特性进行了研究，分析了撞击速度、表面接触角、液滴粘度、表面张力及液滴直径对液滴撞击不同表面及不同微尺度矩形沟槽表面的动态特性及传热特性，从而得到了液膜边缘的运动特性为进一步对液膜边缘运动特性及重构机理的研究提供了科学性的理论依据。课题取得的主要成果包括：申请了实用新型专利 ；在国际期刊《IEEE Access》和《Energies》上发表多篇原理和试验研究论文；在国际学术期刊《Heat Transfer Asian Research》上发表关于流体流动与传热的数值模拟的研究论文。培养博士生、硕士生16名。在课题成果基础上，进一步开展研究工作。