集大成 液滴撞击多孔介质 均质法||异质法都可以
浅谈液滴撞击多孔介质
作者：极度喜欢上课
一、前言
液滴撞击多孔介质是喷墨打印、3D粘结剂喷射、土壤入渗、防渗透材料、喷雾冷却等场景中十分典型的多相流问题。液滴撞击后会同时发生表面铺展、毛细渗透、飞溅、回缩等复杂动力学行为，多孔骨架的微观孔隙结构直接决定液体的入渗速率与铺展形态。
仿真过程中，针对多孔介质的建模主要分为异质微观模型与均质宏观模型两条技术路线。异质法直接构建固体骨架与孔隙通道的真实几何，清晰还原孔隙边界，贴近真实微观物理过程；但几何建模与网格划分成本高，计算开销大，更适合小区域孔隙尺度机理研究。均质法则不单独刻画每一处孔隙，通过孔隙率、渗透率、等宏观等效参数表征多孔区域整体渗流特性，模型体量更小、计算效率更高，适合较大尺度、多工况参数快速扫参。
两种建模思路各有适用场景，在研究目标、计算成本与结果信息维度上形成互补。针对上述两种多孔介质建模方法，我们团队分别做了对应的案例，以供大家参考学习。
二、液滴撞击多孔介质（异质法）
2.1二维 液滴撞击多孔介质
本小节主要探讨二维异质法液滴撞击多孔介质仿真模型。如图1所示，其中液滴半径为1.5mm，初始液滴圆心位于坐标（0，2mm），多孔介质由半径0.4mm的圆形孔洞阵列经布尔差运算构建，整体流体计算域矩形尺寸为12mm×6mm。案例采用两相流层流相场接口，多孔介质颗粒的表面润湿角设置为40度。
图1
如图2所示，展示了液滴的撞击过程。红色部分为液滴，液滴撞击多孔介质表面后，首先在介质表层发生横向铺展，同时在毛细力驱动下向内部孔隙渗入；受固体骨架阻挡，液体无法均匀向下推进，沿孔道形成非规则的浸润前沿。
图2
2.2三维 液滴撞击多孔介质
如图3所示，为三维异质法多孔介质模型的几何图，为了减少计算量，模型采用四分之一的几何计算。三维案例的尺寸参数和边界条件和上一小节二维的模型类似，不过三维模型的多孔介质球状颗粒没有交错分布。
图3
如图4所示，展示了液滴的撞击过程。红色部分为液滴，相较于二维模型仅能反映平面内液体铺展与入渗行为，三维模型可完整展示液滴撞击后在x、y、z 三个方向的形态演化过程。液滴撞击颗粒堆积多孔介质表面后，在惯性力、重力与毛细力共同作用下，不仅沿介质表层发生径向铺展，还会在颗粒间隙向多孔介质内部三维渗透；受球形固体颗粒骨架的空间阻挡，液体浸润前沿呈现复杂的三维曲面形态。
图4
三、液滴撞击多孔介质（均质法）
本节讨论的二维均质法液滴撞击多孔介质仿真模型，主要考虑了多孔介质的达西阻力，多孔介质的毛细力，以及多孔介质和空气接触面的润湿角。为了让大家直观感受上述三种设置对液滴撞击多孔介质的影响，本节展示的案例将逐一增加相应的设置。
如图5所示，为仅考虑“多孔介质的达西阻力”的案例，y<-1mm的灰色部分为利用均质法建立的多孔介质，红色线为液滴的轮廓。从图中可以看到，液滴向多孔介质内部发生了渗透，但因为没有考虑“多孔介质的毛细力”，液滴的渗透仅停留在多孔介质的表面，无法渗透进入更深的多孔介质。
图5
如图6所示，为同时考虑“多孔介质的达西阻力”和“多孔介质的毛细力”的案例，红色线为液滴的轮廓。从图中可以看到，液滴的渗透不只发生在多孔介质的表面，液滴还往更深层的多孔介质渗透，最终整个液滴都完全渗透入多孔介质中。
图6
如图7和图8所示，为同时考虑“多孔介质的达西阻力”“多孔介质的毛细力”和“多孔介质和空气接触面的润湿角”的案例，其中图7的润湿角设置为30度到60度，图8的润湿角设置为80度到110度。对比两个图可以发现，润湿角对液滴的撞击形态有着重要的影响，当润湿角较小时液滴更倾向于发生向多孔介质稳定的渗透，当润湿角较大时液滴会产生反弹的趋势。
图7
图8
四、结语
截至目前，我们团队围绕 COMSOL，已积累了大量高质量原创案例，覆盖流体力学、传热相变以及拓扑优化等领域，为广大学习者和工程技术人员提供实践参考。
