多相流的接触角设置

接触角的定义

当液滴自由地处于不受力场影响的空间时，由于界面张力的存在而呈圆球状。但是，当液滴与固体平面接触时，其最终形状取决于液滴内部的内聚力和液滴与固体间的粘附力的相对大小。当一液滴置于固体平面上时，液滴能自动地在固体表面铺展开来，或与固体表面成一定的角度而存在，如图 1-1 所示 θ 角，我们称之为接触角，即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所成的角，也称浸润角或润湿角(WettingAngle)。用符号 θ 表示，单位度(°)。

具体地说，它是液体-气体界面上的表面切线与固体-液体界面上的表面切线在相交处之间的角度。通过接触角θ可以量化液体对固体表面的润湿性。接触角可用来评价表面润湿性、处理工艺、洁净度等参数。

图 1-1 betawy必威

应用范围

石油、化工、医药、造纸、涂料、农药、材料粘结剂、陶瓷、洗涤剂、高分子颜料、电线电缆、纺织、染料、建筑材料防水、浮法选矿、焊接、医疗卫生等众多领域。

应用领域

1.1. 在润滑油的特性标定中，检验各中重油、润滑油的黏附及润湿关系。

1.2. 在印刷行业中，检验印刷油墨、金属、纸张之间的付着、黏结润湿关系。

1.3. 在建筑防水工作中，检验经硅酸树脂处理的纺织物的防水性能。

1.4. 在浮选工作中，检验用沸腾法选择矿物微粒在油水混合物中沾化吸附能力。

1.5. 在搪瓷工业中，检验溶化的硅化物对金属表面的粘化附着力。

1.6. 在活性试剂表面特性测定中，检查液体试剂的渗透、生锈特性。

1.7. 检验金属表面的脱脂，清洁，老化，亲水等情况及薄膜表面上的吸附特性。

1.8. 在军事科学研究中，检验发射出的弹皮与空气中雨雾的附着、润湿特性。

国家相关标准

1.1. GB/T 24368-2009(玻璃表面疏水污染物检测).

1.2 .SY/T5153-2007(油藏岩石润湿性测定方法).

1.3. ASTM D 724-99(2003)(纸的表面可湿性的试验方法).

1.4 .ASTM D5946-2004(塑料薄膜与水水滴角度的测量).

1.5. SO15989(塑料薄膜和薄板电晕处理薄膜的水水滴角度的测量).

接触角的测量方法

目前广泛的接触角测量方法是外形图像处理法，即将液滴滴于固体样品表面，通过显微镜或相机获得液滴的外形图像，然后运用特定数学模型(如液滴可视为球、椭球或圆锥的一部分)通过特定的参数(如宽、高)拟合计算出接触角。

座滴法(The static sessile drop method)，利用探测液滴测量待测表面液滴形状而计算出接触角的方法。将液滴滴在固体表面上，通过观察液滴与固体表面的接触情况来测量接触角。可以使用显微镜或高分辨率相机来测量接触角。

动态静滴法(The dynamic sessile drop method)，动态静滴类似于静态静滴，但需要对液滴进行修改。常见的动态静滴研究类型确定最大接触角，而不通过动态增加体积来增加其固体-液体界面积。这个最大角度称为前进角。通过移除体积来产生可能的最小角度，即后退角。前进角和后退角之间的差异是接触角滞后现象。

悬滴法(The pendant drop method)，在一块固体表面上悬挂液滴，通过改变固体表面的倾斜角度或者液滴的体积，观察液滴的形态变化，从而计算接触角。

停泡法(Captive Drop Method)，将固体放在液体上面，液体与固体间没有空隙，用特制毛细管至下而上喷出气泡，停在固体下表面，采集并分析浸入液体中气泡在固体下表面的角度，也称气泡俘获法或贴泡法。

力测量法(DynamicWilhelmy method)，采用表面张力仪中的称重传感器和专业分析软件，测量固体与液体间的界面张力，再通过换算得出接触角值。

1 接触角概念

接触角定义为在液体、气体、固体三者交汇点位置，液体和气体界面切线与液体和固体界面切线的夹角。根据接触角定义，其取值范围为 0° - 180°。

接触角定义图示

影响接触角的因素较多，且有公式进行计算。从CFD仿真角度简单理解，接触角会随着固体表面材料特性不同而改变，包括表面粗糙度。接触角是边界条件而非材料属性。

接触角测量仪为测量接触角的仪器。

接触角测量

2 Fluent中的接触角设置

2.1 设置接触角

Fluent中支持接触角设置的多相流模型有三个：VOF、混合物、欧拉。在多相流模型的相间作用机理中，需要勾选表面张力和壁面附着选项。

接触角在边界条件中设置，每个固体壁面均可设置接触角数值，软件默认单位为度。

根据相的次序不同，其设置角度不同：

主相为气体，副相为液体，则接触角设置为实际值

主相为液体，副相为气体，则接触角设置为(180 - 实际值)

2.2 设置对比

采用四种设置进行对比。截面的相体积分数视图中，蓝色表示水，红色表示空气，白色区域为相界面。

设置方案 1：主相为空气，副相为水， 接触角 45°

设置方案 2：主相为空气，副相为水， 接触角 135°

设置方案 3：主相为水，副相为空气， 接触角 135°

设置方案 4：主相为水，副相为空气， 接触角 45°

从结果对比可知，若相的次序调换，则接触角设置需要调整，且调整前后的接触角数值总和应为180°。