Numerical Investigation of Water Entry of Hydrophobic Spheres
本研究使用ANSYS和VOF模型数值模拟疏水球体入水过程，发现疏水球体因形成空气空腔减少接触面积，其阻力系数显著低于亲水球体。
2023-06-27 physics.flu-dyn
An Isotropic Porous Medium Approach to Drag Mitigation Disappearance in Super-Hydrophobic Falling Spheres
在这封信中，下降的超疏水球的实验研究在低雷诺数。特别是，我们表明，超疏水涂层在减少阻力变得无效，不像理论和数值方法预测。描述Marangoni引起的应力和空气/液体界面变形的时间尺度分析表明，这些机制是不太可能占在我们的研究中观察到的滑移效应消失。相反，我们提出了一个简单的模型的基础上各向同性多孔介质的方法，推导出考虑到周围的球体封装的气体的运动引起的损失。这种机制的关键参数被发现是表面弯曲度，其范围估计从微观表面成像证实了我们的缩放分析和以前的研究预测。
2018-10-23 physics.flu-dyn
Hydraulic Transport Across Hydrophilic and Hydrophobic Nanopores: Flow Experiments with Water and n-Hexane
我们实验探索压力驱动的流动的水和正己烷通过纳米多孔二氧化硅（Vycor玻璃单片与7或10 nm的孔径，分别）作为温度和表面功能化（本地和硅烷化的玻璃表面）的函数。通过在基于电容器的膜渗透性装置中的上游侧经由惰性气体（氩气和氦气，加压至70巴）施加流体静压来测量液压流率。对于天然的亲水性二氧化硅壁，所测得的水力渗透率可以通过体积流动性来定量地解释，只要我们假设粘性边界层，即分子尺寸的负速度滑移长度。这个边界层的厚度进行了讨论与以前的毛细驱动的流动实验（自发吸胀），并在孔壁的速度滑移溶解气体。穿过硅烷化的疏水纳米孔的水流被阻挡直到至少70巴的流体静压。粘性边界层的不存在定量地解释了与亲水性纳米孔相比，疏水性纳米孔中的正己烷渗透性增强。
2015-12-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Drag force on a sphere moving towards an anisotropic super-hydrophobic plane
我们从理论上分析了一个高速排水的液体膜之间的亲水性球体和纹理超疏水平面，其中包含被困的气泡挤压。超疏水壁的特征在于参数$L$（纹理特征长度）、$b_1$和$b_2$（固体和气体区域的局部滑移长度）以及$ϕ_1$和$ϕ_2$（固体和气体区域的分数）。的平面的流体动力学特性完全表示的有效滑移长度张量的特征值取决于纹理参数和$H$（本地分离）。有效滑动的影响，预计减少的力相比，预期的两个亲水性表面和泰勒方程描述。附加长度尺度$L$、$b_1$和$b_2$的存在意味着膜引流可以比球体朝向亲水平面移动的情况丰富得多。对于大的（与$L$相比）间隙，力的减小很小，并且对于所有纹理，力类似于当球体朝向从超疏水壁向下移动的光滑亲水平面移动时的预期。这个位移的值等于滑移长度张量本征值的平均值。通过分析条纹超疏水表面，然后我们计算修正的泰勒方程的任意间隙。我们表明，在较薄的间隙的力减少变得更加明显，它强烈地依赖于气体面积和局部滑移长度的分数。对于小的分离，我们推导出一个精确的方程，它涉及到一个有效的滑移纹理参数的校正。我们的分析提供了一个框架，解释最近的力测量在超疏水表面的存在。
2011-06-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann simulations of the pool boiling curves above horizontal heaters with homogenous and heterogeneous wettability
采用混合热格子Boltzmann相变模型对水平光滑加热器上方的池沸腾进行了模拟。研究了均相和非均相润湿性对从泡核沸腾开始到充分发展的膜态沸腾全过程的影响。结果表明，对于均质亲水加热器，增加壁面润湿性可提高临界热流密度（CHF），并使沸腾曲线上移。同时发现，降低润湿性有利于在较低过热度下发生ONB，但也使沸腾过程进入壁面粗糙度较低的膜态沸腾区。对于均质和疏水加热器，有相当低的CHF和较短的过渡沸腾区，而CHF点和膜沸腾发生在较低的壁面温度。对于非均质亲水加热器，增大润湿性差会导致沸腾曲线的显著移动。研究了表面润湿性和疏水-疏水混合表面间的宽度对沸腾曲线的影响，结果表明，疏水表面润湿性的降低会使沸腾曲线上移，而疏水表面宽度的减小会使核态沸腾模式上移。此外，还定量验证了疏水-疏水混合表面对沸腾传热的强化作用。
2019-11-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Electrical Conductivity of Nanoscale Hydrophobic Porous Media: Surface Charge Density and Heterogeneous Pore Structure
导电性是疏水多孔介质（HPM）的固有性质，并且具有关键应用。本研究旨在为预测具有非均匀孔结构的纳米HPM的电导率提供一种解决方案。比较了分子动力学（MD）模拟与改进的Poisson-Boltzmann（MPB）模型对纳米孔中离子电荷密度分布的理解。有效介质近似（EMA）参与计算纳米HPM的有效电导和电导率。结果表明，表面电荷密度影响疏水纳米孔中的离子密度分布。随着孔径的增加，电导增加。随着电解质水溶液（AES）的摩尔浓度降低，电导降低。当AES的摩尔浓度很低时，会出现电导饱和现象。HPM的有效电导随着配位数的增加而增加。最后，基于计算出的有效电导和非均匀孔结构参数，计算了纳米级HPM的电导率。
2021-05-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Fractal flow patterns in hydrophobic microfluidic pore networks: experimental modeling of two-phase flow in porous electrodes
在模拟燃料电池特定多孔介质的疏水微孔网络中观察到实验性两相侵入渗流模式。为了模拟聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）多孔电极的操作条件，制备了具有相应微通道尺寸分布的微孔网络。入口通道以对应于1.0至0.1 A/cm 2（Ca 10 e-7- 10 e-8）的燃料电池电流密度的流速均匀地侵入。观察和分析了各种分形突破模式，以量化总饱和度，St，局部饱和度，s和分形维数，D方面的洪水密度和几何多样性。结果发现，在侵入过程中，St单调增加，直到达到突破点，和s的配置文件指示的过程中的液相的动态分布。分形分析证实，实验属于侵入渗流与捕获的流动状态。在这项工作中，我们建议相关的分形维数，D，总饱和度，并使用此图作为一个参数，用于模拟液态水在GDL传输。
2009-09-03 physics.chem-ph physics.flu-dyn
How heterogeneous wettability enhances boiling
对于具有浸入亲水基质中的疏水贴片的基底上的过热水，可以选择温度，使得微泡将在疏水贴片上而不是在亲水基质上形成、生长和合并。直到覆盖贴片，形成钉扎的宏观气泡，气泡具有接触角$π-θ_2$，其中$θ_2$是水在贴片材料上的后退接触角。该钉扎的大气泡用作准静态生长过程的初始条件，la Landau，通过形成颈部导致分离，只要在钉扎气泡的生长期间避免亲水性基质的脱钉和去湿：气泡接触角不应超过$π-θ_1$，其中$θ_1$是水在基质材料上的后退接触角。然后，沸腾过程可以进入在贴片上形成和分离的大气泡的循环;可以优化这些贴片的半径，以使给定基板面积的热传递最大化。为了使这种分析成为定量的，我们重新审视了杨拉普拉斯准静态演化的关键物理量，如气泡能量，作为气泡生长体积的函数，当重力是显着的或可忽略不计的：这涉及到一个固定的圆形足迹（狄利克雷边界条件）和一个固定的接触角（诺依曼边界条件）钉扎气泡。
2023-01-13 physics.flu-dyn
Atomistic Hydrodynamics and the Dynamical Hydrophobic Effect in Porous Graphene
二维晶体在电学和光学物理学中扮演着重要的角色，它们正在成为流体分离和水脱盐的新平台，这是在纳米级环境中发生的流体动力学过程。为了使数值模拟发挥预测和描述的作用，必须有理论上合理的方法，这些方法跨越物理尺度的数量级，从通道内粒子的原子运动到驱动传输的大尺度流体动力学梯度。在这里，我们使用约束动力学推导出一个非平衡分子动力学方法模拟稳态质量流的流体移动通过纳米空间的多孔固体。在模型系统上验证了我们的方法后，我们用它来研究水通过电掺杂的单层石墨烯的孔隙移动的疏水效应。我们计算的渗透性的趋势并不遵循膜的疏水性，而是由两种竞争分子运输机制之间的交叉所控制。
2016-05-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Solid adsorption: the missing mechanism for surfactant contact lines -- a phase-field approach
KTH Royal Institute of Technology（瑞典皇家理工学院）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
通过热力学一致的相场模型，纳入固体壁面吸附，解释了表面活性剂接触线动力学中亲水性增强的实验趋势，弥补了现有预测模型的缺失机制。
2026-06-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dynamics of Water Entry
与球体的入水相关联的流体动力学可以相对于球体的材料和运动学特性而高度可变。这一系列的五个流体动力学视频说明了几个微妙的，但有趣的变化。第一系列视频对比了亲水性和疏水性球体之间的影响性质，并说明了表面涂层如何影响是否形成空气腔。第二个视频系列说明了旋转和表面处理如何改变入水后的飞溅和空腔形成。由于无滑移条件，旋转的球体导致流体楔形物被吸入腔体中，并遵循弯曲的轨迹。非旋转球体在左半球和右半球上具有两种不同的表面处理：左半球是疏水的，右半球是亲水的。有趣的是，对半球体的空腔形成与旋转球体有许多相似之处，特别是从上面看时。第三个视频系列比较了两个毫米级尼龙球以略有不同的撞击速度（Uo = 40和45 cm/s）撞击;较快的球体完全穿透自由表面，形成空腔，而较慢的球体则没有。第四系列显示了由具有疏水涂层的毫米钢球体以Uo = 600 cm/s冲击形成的细长进水腔的不稳定性。细长的腔沿着其体面形成多个夹断点。最后，具有疏水涂层的毫米钢球以Uo = 350 cm/s的冲击速度破坏自由表面。空腔在表面以下夹断，产生沃辛顿射流，由于瑞利-高原不稳定性而夹断成液滴。
2008-10-15 physics.flu-dyn
Two-phase flow in porous metal foam flow fields of PEM fuel cells
研究多孔金属泡沫流场中气液两相流的特征及优化方法以改善燃料电池的水管理性能。
2025-12-02 physics.flu-dyn
Correlation effects during liquid infiltration into hydrophobic nanoporous mediums
考虑了疏水多孔介质中液体渗透过程中产生的相关效应。在此基础上，提出了非润湿性液体充填多孔介质时的吸能机理。根据这一机理，机械能的吸收是无限大团壳上孔隙中形成孔隙的能量消耗和无限大团填充孔隙中形成液体-多孔介质界面的能量消耗的结果。有人发现，在依赖于孔隙度，因此，在依赖于填充的孔隙邻居的数量，填充的热效应可以是正的或负的，渗透-降滤的循环可以关闭与液体的充分流出。多孔介质的渗流特性与液体-多孔介质界面和液-气界面的能量特征之间存在一定的关系，就可以发生这种现象。结果表明，这些相关性的影响和渗透过程中的孔隙空间的渗流特性的连续帐户允许描述所有的实验数据进行讨论。
2010-03-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Hydrodynamic interaction with super-hydrophobic surfaces
具有大的有效滑移长度的图案化表面，例如包含捕获的气泡的超疏水表面，具有减小流体动力学阻力的潜力。基于润滑理论，我们分析了一种方法的亲水磁盘这样的表面。阻力的预测分析和制定的修正函数的雷诺方程，这是示出的谐波平均值的修正表示通过有效的滑移长度在两个主要的（最快和最慢）正交方向。阻力的减少对于薄间隙（与纹理周期相比）尤其明显。它不是真正敏感的图案的几何形状，但强烈地依赖于气相的分数和在气体区域的局部滑移长度。
2010-05-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Bubbly drag reduction using a hydrophobic inner cylinder in Taylor-Couette turbulence
在这项研究中，我们实验研究了气泡减阻的高度湍流的水与分散的空气在$5.0 \times 10^{5} \leq \text{Re} \leq 1.7 \times 10^{6}$在非润湿表面含有微尺度粗糙度。为此，使用泰勒-库埃特几何，允许精确的全局阻力和局部流测量。涂有粗糙疏水材料的内圆柱体旋转，而光滑的外圆柱体保持静止。关键的控制参数是存在于工作流体中的空气体积分数$α$。对于小体积分数（$α< {4}\,\%$），我们观察到来自涂层的表面粗糙度增加阻力。对于大体积分数的空气（$α\geq 4\,\%$），与使用相同体积分数的空气的内圆柱体和外圆柱体均未涂覆（即，光滑且亲水）的情况相比，阻力减小。这表明存在两种相互竞争的机制：一方面，粗糙度引起原木层的延伸-导致阻力增加-另一方面，疏水表面与气泡液体相互作用存在减阻机制。这两种效果之间的平衡决定了是整体阻力减小还是阻力增强。对于进一步增加的气泡浓度$α= {6}\,\%$，我们发现一个饱和的减阻效果。我们的研究为疏水壁面湍流中气泡减阻的工业应用提供了指导。
2020-06-15 physics.flu-dyn
Optimizing fog harvesting by biomimicry
受Stenocara甲虫的启发，我们研究了一个理想的平坦表面组成的一个规则的阵列的亲水性圆形补丁在疏水性矩阵上的倾斜$α$相对于水平。基于在Bond数中的一阶Laplace-Young方程的精确解，对于亲水和疏水接触角的合适范围，对于倾斜角如$45^{\circ}$或$90^\circ$，表面的液体储存容量作为贴片半径的函数被最大化。结果发现，最佳半径同样可以防止从顶部的补丁和溢出底部的去湿。这些理论的考虑进行了验证的玻璃/十八烷基三氯硅烷（OTS）系统，涉及不同的补丁大小和不同的倾角的几个实验。在一个简单的动力学模型中，考虑到通量的雾到表面上或冷凝在适当冷却的表面上，我们发现，最大收获的条件同意的最大静态存储。该方法可以被开发用于液滴存储和液滴运输应用，例如集水系统。
2022-03-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Ice friction at the nanoscale
本研究通过分子模拟揭示冰的纳米尺度摩擦源于预熔化、压力熔化和摩擦加热的协同作用，疏水壁面大滑移而亲水壁面摩擦致熔。
2024-02-07 physics.app-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Capillary rise of water in hydrophilic nanopores
我们报告的毛细上升的水在三维网络的亲水性二氧化硅孔与3.5nm和5 nm的平均半径，分别（多孔Vycor整料）。我们发现经典的平方根的时间卢卡斯-沃什伯恩法律的吸胀动力学在整个毛细管上升时间长达16小时的调查。假设我们假设在二氧化硅壁处存在两个预吸附的强结合的水分子层，这对应于二氧化硅纳米孔中水流的负速度滑移长度为-0.5nm，我们可以通过孔中心的水的保留流动性和毛细作用来描述填充过程。这种预期的分区在两个动态组件反映了结构热力学分区在强烈的二氧化硅结合水层和毛细冷凝水的孔隙中心，这是记录的吸附等温线测量。
2009-06-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
A Microfluidic Pore Network Approach to Investigate Water Transport in Fuel Cell Porous Transport Layers
孔隙网络模型传统上用于研究与地质流动有关的理想化多孔介质中的驱替过程，其应用范围从地下水水文学到提高石油采收率。最近，孔隙网络建模已被应用于聚合物电解质膜（PEM）燃料电池的气体扩散层（GDL）的建模。离散孔隙网络模型有可能阐明运输现象的GDL与高计算效率，连续或分子动力学建模，需要大量的计算资源。然而，在研究GDL与孔隙网络建模的挑战在于定义网络参数，准确地描述多孔介质以及流体入侵的条件，代表现实的运输过程。在这项工作中，我们讨论了第一阶段的开发和验证GDL代表孔隙网络模型。我们开始与一个二维的孔隙网络模型与一个单一的流动相入侵的疏水介质，其中缓慢的毛细管为主的流动过程如下入侵渗滤。孔网络的几何形状的设计，和透明的疏水微流体网络制造的硅弹性体PDMS使用软光刻技术。这些微流体网络被设计成具有典型GDL材料的通道尺寸分布和润湿性。数值和实验流动模式之间的比较显示出合理的协议。此外，分形维数和饱和度在入侵期间测量，揭示不同的操作制度，可以应用于GDL操作。还将讨论今后的模型开发工作。
2008-04-14 physics.chem-ph physics.flu-dyn
