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疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟
疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟
疏水表面是一类表面，其表面具有接触角大于90度的特点，即液体在其上不容易被吸附，形成水珠。这种表面在生物学、物理学、化学和材料科学等领域中均有广泛的应用。其中，在流体力学和液体动力学中，疏水表面可以影响流体的流动，从而影响流体的减阻特性。因此，疏水表面滑移流动及其减阻特性的研究备受关注。
格子Boltzmann方法(LBM)是一种微观-宏观耦合的流体动力学模拟方法。在LBM中，流体被看作是一组小的质点，其运动状态可以通过分布函数描述。LBM通过对分布函数的时间演化来模拟流体的运动状态。与传统的数值模拟方法相比，LBM具有计算速度快、易于并行化、边界条件处理简单等优点。因此，在疏水表面滑移流动及减阻特性的研究中，LBM被广泛应用。
对疏水表面滑移流动进行LBM模拟时，必须了解疏水表面的物理和几何特性，特别是疏水表面上的液体和气体分界面的形态和位置。一种广泛应用的疏水表面模型是Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。
在Wenzel模型中，液体与表面紧密接触，液滴沿表面微小高低处凸凹的变化溶于表面纹路之中。而在Cassie-Baxter模型中，气体与表面紧密接触而液体线性代替了原本的点接触，导致液滴呈半悬状态。具体来说，该模型中，液体和气体共存于表面上，液体以小液滴的形式存在于气体之上。液滴与气体之间形成空气夹层，使液体的接触角增大，并且在一定范围内，液体的表面不能贴在纳米级疏水表面上。液滴大小，气体的高度和液体与表面之间的接触角等参数可以调节，以模拟不同的表面结构。
在LBM模拟中，采用了边界条件和体力模型来模拟疏水表面上的流动。与传统边界条件，如Dirichlet边界条件相比，疏水表面边界条件更加复杂。目前，疏水表面的边界条件包括非滑移和部分滑移两种。非滑移边界条件是指液体与表面间没有滑移，即液体速度等于表面速度。而部分滑移边界条件考虑了表面几何形状及涂覆的涂层等因素，是一种更加实际的疏水表面边界条件。
另外，LBM模拟通过模拟流体粘性使得可以计算出液体在不同表面上的流动行为。具体来说，LBM模拟通过计算液体在不同表面上的流动摩擦和压力，从而计算出流体在表面上的流场分布、流速分布和剪切应力等参数。
疏水表面滑移流动及减阻特性的LBM模拟研究表明，与常规表面相比，疏水表面下游附近的流体速度分布更加均匀，剪切应力更小，从而导致在疏水表面上的流体流动阻力更小。此外，不同的疏水表面结构会影响流体的流动特性。例如，在Cassie-Baxter模型中，空气夹层的厚度和液滴的直径会影响表面上的摩擦阻力和流动特性。
总之，疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟是一个重要研究领域。LBM模拟方法适用于不同类型的疏水表面，可以预测流体在不同表面上的流动行为，并可为设计低阻疏水表面提供理论帮助。