液滴冲击下片状颗粒位移与取向的数值预测模型及其在涂层技术中的应用

本研究针对工业涂层技术中片状颗粒在液滴冲击过程中的动态行为难以预测的问题，通过建立VOF-DEM耦合模型，系统研究了牛顿流体和非牛顿流体中片状颗粒的位移和取向规律。研究团队基于Buckingham π定理构建了无量纲预测方程，揭示了Weber数(We)、Reynolds数(Re)和Stokes数(St)对颗粒行为的影响机制，并成功将模型拓展至微尺度液滴和非牛顿流体体系。该研究为优化涂层均匀性提供了理论依据，对汽车喷涂等工业应用具有重要指导价值。

　　

在汽车喷涂、电子印刷等工业领域，液滴冲击基板时内部片状颗粒（如铝粉颜料）的动态行为直接决定涂层质量。这些具有各向异性结构的片状颗粒在冲击过程中的位移和取向变化，会显著影响涂层的光学性能和机械性能。然而，由于微观尺度观测困难、多物理场耦合复杂，现有研究多局限于球形颗粒或单一颗粒分析，对实际工业中普遍存在的多颗粒系统和非牛顿流体体系缺乏有效预测手段。特别是在微米级液滴和剪切变稀型非牛顿流体（如汽车涂料）条件下，颗粒动力学行为更难以通过实验直接观测。

为攻克这一难题，研究人员开展了系统性数值模拟研究。通过建立VOF（Volume of Fluid）与DEM（Discrete Element Method）耦合模型，创新性地采用"粘结球簇法"表征片状颗粒的几何特征，并引入Carreau-Yasuda模型描述非牛顿流体的剪切变稀特性。研究重点考察了液滴初始直径(D_initial)、冲击速度(v_initial)、流体粘度(μ_L)、表面张力(σ)等参数对颗粒行为的影响规律。

关键技术方法包括：1）基于八叉树网格的CFD-DEM耦合算法，实现三相流固耦合模拟；2）连续表面力(CSF)模型精确捕捉气液界面张力；3）Kistler-Tanner动态接触角模型描述壁面润湿行为；4）广义Reynolds数(Re*)拓展至非牛顿流体体系。研究建立了包含12个片状颗粒的多颗粒系统模型，通过1.5百万多面体网格实现了高精度计算。

2.1 牛顿流体中液滴冲击条件对片状颗粒运动行为的影响
通过系统改变初始位置(x_initial, y_initial)和取向角(θ_initial)，发现颗粒最大位移(x_max/D_initial)与初始x坐标呈幂律关系（指数0.637），而y坐标影响较弱（指数-0.031）。当We数从12.6增至202时，颗粒位移显著增大，证实惯性力主导作用。有趣的是，粘度(μ_L)增加虽降低Re数，但通过抑制液滴铺展间接减小颗粒位移，展现出多参数耦合效应。

2.2 片状颗粒取向行为机制
研究发现取向角变化(θ_xmax)主要受初始Stokes数(St_initial=ρ_FL_F²v_initial/18μD_initial)控制。当St>1时颗粒保持初始取向，St<1时则随流场旋转。通过建立半经验模型θ_xmax=0.759(70.5St)^-0.05(8.6×10^-4θ_initial³-0.02θ_initial²+2.15θ_initial+11.7)^0.539，实现了对复杂旋转行为的准确预测。

3.3 模型向非牛顿流体的拓展
针对剪切变稀型涂料（HAP、SBK、SBL），引入广义雷诺数Re*=ρ_Lv_initialD_initial/[μ_∞+(μ₀-μ_∞)(1+(Kγ?)^a)^(n-1)/a]，证实原模型在有效粘度(μ_eff)框架下仍适用。这为实际工业涂料体系提供了直接应用可能。

3.4 微尺度液滴的模型验证
在D=30μm的微滴冲击模拟中，尽管We和Re显著降低，但无量纲模型仍保持良好预测精度，证实了模型的尺度不变性。这对指导喷墨打印等微尺度涂层工艺具有重要意义。

这项研究通过创新性的多尺度建模方法，首次建立了涵盖牛顿/非牛顿流体、毫米/微米尺度的片状颗粒行为预测体系。所提出的无量纲模型不仅填补了理论空白，更可直接指导工业涂层工艺优化。例如，通过调控冲击速度(v_initial)和流体粘度(μ_L)实现颗粒定向排列，有望显著提升金属闪光涂层的视觉效果。未来研究可进一步考虑溶剂蒸发、多滴相互作用等实际工况因素，推动该模型在智能制造中的更广泛应用。论文发表在《Next Research》上，为多相流与界面科学领域提供了重要方法论突破。