一种基于LB相场模型的动态接触角测量方法

本发明属于流体界面性能的，具体涉及一种基于lb相场模型的动态接触角测量方法。

背景技术：

1、格子玻尔兹曼方法(lattice boltzmann method，lbm)方法起源于格子气自动机(lga)，该已经发展成为一种有效而强大的模拟方法，适用于各种现象和过程，例如单相流、多相流、湍流、热传递和相变等，并逐渐成为求解非线性偏微分方程的数值工具。lbm同时具有微观和介观特征，它使粒子之间的相互作用易于解析，简化了复杂的多相流宏观现象，格子玻尔兹曼方法发展至今，已经被证实并广泛用来研究液滴行为，包括微通道中液滴的形成、暴露于气流中的液滴的变形和破裂、二元液滴的碰撞等。

2、接触角是指在一固体水平平面上滴一液滴，固体表面上的固液气三相交界点处，其气液界面和固液界面两切线把液相夹在其中时所成的角。接触角测量主要用于测量液体对固体的接触角，即液体对固体的浸润性，能够测量各种液体对各种材料的接触角。并且对石油、印染、医药、喷涂、选矿等行业的科研生产有非常重要的作用。

3、接触角作为判定固体材料表面性能的重要指标,目前根据材料浸润性不同,采用的接触角测量方法不一,目前主流的测量方法包括量高法、量角法、圆拟合法、young-laplace法，其中量高法、量角法、圆拟合法更适用于液滴形变较小或者为理想球的情况，而面对液滴形变较大的情况，不易测量；并且不倾向于对动态接触角的计算，所以具有较大的局限性，对实时的接触角测量不够简单准确。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于lb相场模型的动态接触角测量方法，以解决现有测量方法中接触角测量不准确，并且不能实时地、准确测量接触角变化情况的弊端。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种基于lb相场模型的动态接触角测量方法，采用格子boltzmann相场模型模拟处于连续相流体中的分散相流体与障碍物的碰撞过程，依据格子玻尔兹曼方法，计算每一时间步长内，相场模型中各个格子对应的当前序参数确定分散相流体在相场模型里的所在区域，进而确定分散相流体对应的分散边界，再利用梯形结构分割分散相流体的前进接触角和后退接触角所在的分散边界，最后计算障碍物边界对应的切线分别与前进接触角和后退接触角所在的分散边界对应的切线之间的夹角，即为分散相流体与障碍物的接触角，从而能够实时检测分散相流体在碰撞过程中接触角的变化情况。

4、进一步，所述相场模型采用长方体结构，其宽度设置为单个格子的边长，

5、根据分散相流体在相场模型里的所在区域计算对应的边界位置即为分散边界，以障碍物与分散相流体碰撞所在的碰撞边界为梯形结构的底边，由梯形结构的底边向分散边界延伸预定高度确定梯形结构的顶边，再以梯形结构的底边、顶边的中点连线为中线将分散边界划分为两个部分，分别为前进接触角所在分散边界、后退接触角所在分散边界，进而分别计算对应的前进接触角切线、后退接触角切线，最后计算前进接触角切线、后退接触角切线与碰撞边界对应切线之间的夹角即为前进接触角、后退接触角。

6、进一步，对所述前进接触角所在分散边界、后退接触角所在分散边界对应的位置数据进行拟合得到对应的曲线，再计算曲线与障碍物的交点对应的切线，即为前进接触角切线或者后退接触角切线。

7、进一步，根据格子boltzmann相场模型，选择对应的速度分布函数、内能密度分布函数以及平衡态速度分布函数、平衡态内能密度分布函数，确定相场模型的周期边界以及障碍物的反射边界；

8、依据格子玻尔兹曼方法，计算各个时间步长内每个格子对应的速度分布函数、内能密度分布函数以及平衡态速度分布函数、平衡态内能密度分布函数，进而计算得到每个格子对应的当前宏观速度、密度以及当前序参数

9、根据所述当前序参数完成每个时间步长内的前进接触角、后退接触角计算，进而获得接触角的动态变化。

10、进一步，若所述当前序参数大于零，则判断对应的格子属于分散相流体；若所述当前序参数小于零，则判断对应的格子属于连续相流体。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

12、借助格子boltzmann相场模型，将分散相流体与障碍物的碰撞过程按照时间步长进行演变，再结合各个时间步长内的序参数的变化以及梯形结构，即使在分散相液滴在碰撞和移动中出现形变较大的情况，能够实现简单、高效、准确地计算获取前进接触角和后退接触角，从而能够实时检测分散相流体在碰撞过程中接触角的变化情况，赋予化学势的固体表面，可以很好的调节润湿性即流体和固体之间的相互作用，为整个碰撞过程的研究提供了数据基础，能够更加全面地了解分散相流体的物理特征、碰撞物固体表面属性、液滴的碰撞时间、液滴残留以及液滴碰撞后的速度。

技术特征：

1.一种基于lb相场模型的动态接触角测量方法，其特征在于：采用格子boltzmann相场模型模拟处于连续相流体中的分散相流体与障碍物的碰撞过程，依据格子玻尔兹曼方法，计算每一时间步长内，相场模型中各个格子对应的当前序参数确定分散相流体在相场模型里的所在区域，进而确定分散相流体对应的分散边界，再利用梯形结构分割分散相流体的前进接触角和后退接触角所在的分散边界，最后计算障碍物边界对应的切线分别与前进接触角和后退接触角所在的分散边界对应的切线之间的夹角，即为分散相流体与障碍物的接触角，从而能够实时检测分散相流体在碰撞过程中接触角的变化情况。

2.根据权利要求1所述的基于lb相场模型的动态接触角测量方法，其特征在于：所述相场模型采用长方体结构，其宽度设置为单个格子的边长，

3.根据权利要求2所述的基于lb相场模型的动态接触角测量方法，其特征在于：对所述前进接触角所在分散边界、后退接触角所在分散边界对应的位置数据进行拟合得到对应的曲线，再计算曲线与障碍物的交点对应的切线，即为前进接触角切线或者后退接触角切线。

4.根据权利要求1所述的基于lb相场模型的动态接触角测量方法，其特征在于：根据格子boltzmann相场模型，选择对应的速度分布函数、内能密度分布函数以及平衡态速度分布函数、平衡态内能密度分布函数，确定相场模型的周期边界以及障碍物的反射边界；

5.根据权利要求4所述的基于lb相场模型的动态接触角测量方法，其特征在于：若所述当前序参数大于零，则判断对应的格子属于分散相流体；若所述当前序参数小于零，则判断对应的格子属于连续相流体。

技术总结
本发明涉及流体界面性能的技术领域，公开了一种基于LB相场模型的动态接触角测量方法，采用格子Boltzmann相场模型模拟处于连续相流体中的分散相流体与障碍物的碰撞过程，计算每一时间步长内，相场模型中各个格子对应的当前序参数确定分散相流体在相场模型里的所在区域，进而确定分散相流体对应的分散边界，再利用梯形结构分割分散相流体的前进接触角和后退接触角所在的分散边界，最后计算障碍物边界对应的切线分别与前进接触角和后退接触角所在的分散边界对应的切线之间的夹角，即为分散相流体与障碍物的接触角，从而能够实时检测分散相流体在碰撞过程中接触角的变化情况。

技术研发人员：刘凤娇,曹家伟,王世鹏,马斯奇,李想
受保护的技术使用者：上海工程技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13