摘要
多相流动问题在生产和生活中的应用十分普遍，其中悬浮于另一种不互溶流体的液滴在剪切作用下发生变形甚至破裂，这一现象在药物输送、材料加工、食品加工等领域应用十分广泛。本文采用格子Boltzmann多相颜色梯度模型，对剪切流动中液滴的变形和破裂进行了研究，对单相液滴的变形及破裂、双乳化型复合液滴的变形及破裂和Janus型复合液滴在壁面上的运动行为进行了探究，主要的工作及成果如下： （1）模拟分析了单相液滴在剪切流场中的变形和破裂过程，分析了毛细数Ca、雷诺数Re、不同相间粘度比等因素对液滴动力学行为的影响。结果表明，增大Ca数和Re数使液滴所受的粘性剪切力增强，且形变效果逐渐增大。随着液滴与连续相粘度比λ的增加，液滴的变形参数先增大后减小，偏转角度先增大后保持稳定。得到了单相液滴两种不同的变形类型和液滴破裂形态的 Re-Ca 相图。引入了虚拟的示踪粒子对液滴内部流体粒子进行研究，初始时刻离圆心距离越远的示踪粒子受到的界面张力和剪切作用效果越大，最终它与界面的距离会保持一个定值。 （2）在以上对单相液滴研究的基础上，进一步研究了双乳化液滴在剪切流场中的变形和破裂过程，分析了毛细数Ca、雷诺数Re、不同相间粘度比、内外液滴半径比和不同界面张力系数比等因素对液滴动力学行为的影响。结果表明：随着Ca数的增大，双乳化液滴的变形效果更明显，外壳抵抗变形的能力明显弱于内核；Re 数的增加使得外壳的变形程度加大，但内核受到的影响较弱。当内核或外壳粘性较低时，双乳化液滴会经历大幅度变形过程。当内外液滴半径比较小时，内核的变形效果明显大于外壳，且随着其比值增加，内外液滴变形差异减小。为了分析双乳化液滴内界面产生的影响，在其附近置入虚拟示踪粒子并考察其运动规律，结果表明内界面的存在限制了双乳化液滴的变形。此外，初始时刻示踪粒子与双乳化液滴内界面距离越小，它的运动速度、运动周期和受到的剪切作用效果越大。 （3）模拟分析了壁面上的Janus型复合液滴在二维剪切流动中的动力学行为，讨论了毛细数Ca、流体粘度比和界面张力系数比对 Janus 型复合液滴运动形态的影响。结果表明：Janus型复合液滴在不同的Ca数下呈现出四种不同的运动模式，在低Ca数下，复合液滴只发生变形，出现了两种变形模式，随着Ca数增大出现了两种不同的破裂模式，复合液滴的接触线移动速度和壁面润湿长度最后趋近于恒定值，在破裂模式中绿色液滴稳定后的润湿长度会大幅度减少。不同粘度系数比λgb下复合液滴表现出两种不同的变形模式，变形模式1中复合液滴接触线的移动速度逐渐减小直至稳定，变形模式 2 中复合液滴接触线的移动速度经历了一个先下降再缓慢上升，随后骤降到谷值再回升直至稳定的过程。当界面张力系数比较小时，复合液滴中绿色液滴会在壁面上逐渐铺展开且其润湿长度一直增加，但右侧接触线移动速度最后趋于稳定；当界面张力系数比较高时，红色流体会包裹在绿色液滴上，接触线移动速度和绿色液滴的润湿长度最后均趋于稳定。
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