横向力下毛细管堵塞阈值研究

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经过几个世纪的研究,人们对毛细作用力已经有了一定的认知。如今,对毛细现象的研究日益深入。但是,对于液体在水平放置的毛细管中是否会流出这一简单问题还没有得到完善的解答。该问题的解答有助于解决燃料电池和化学工业中存在液膜或者气泡堵塞管道的问题。本论文主要采用Manning、Collicott和Finn推导出的数学判定标准,研究充满液体的水平毛细管,在附加横向力场的情况下,是否存在导致堵塞的一个静态半月面结构。主要研究成果如下:(1)计算求得了圆形毛细管,同心圆环毛细管和矩形毛细管的临界邦德数。如果邦德数大于临界邦德数,那么不存在堵塞半月面,毛细管只处于导通状态。如果邦德数小于临界邦德数,可能是堵塞半月面,也可能是导通的半月面。(2)研究了圆环毛细管内外径比和接触角对临界邦德数的影响。在同心圆环毛细管中计算出了三种拓扑结构,两种拓扑之间的过渡伴随着临界邦德数曲线的拐角。发现增大内外径比(内圆半径比外圆半径)不一定能减小临界邦德数,但是内圆的接触角与外圆的接触角相差越大,临界邦德数越小。(3)研究了矩形毛细管接触角对临界邦德数的影响。当矩形底部的接触角为135度,顶部的接触角为45度并且左右两边的接触角为90度时,计算得到了最大临界邦德数13.65。当矩形左边和底部的接触角为45度,右边和顶部的接触角为135时,其结果为最小临界邦德数0。(4)研究了矩形毛细管各边接触角不一致情况下,矩形的长宽比(宽度比长度)对临界邦德数的影响。不同于正方形毛细管,对于长宽比为二的矩形毛细管,计算得到了两种拓扑结构。长宽比对矩形最大和最小临界邦德数没有影响,通过优化矩形接触角能促进或有效地阻止矩形管中的毛细堵塞。
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