近日，我院热工流力教学研究中心青年教师张静刚在流体物理领域研究取得重要进展。研究成果以“The dynamic behavior of a self-propelled droplet on a conical fiber: A lattice Boltzmann study”（液滴在锥形表面的自驱运动研究）为题在流体物理领域权威期刊《Physics of Fluids》（期刊中文名：流体物理学，2022年影响因子为4.6）上在线发表。论文因其新颖性和创新性被主编选为Editor’s Pick论文。论文的第一作者为建科学院热流中心的张静刚副教授，合作者为崔海航副教授与陈力副教授、苏州大学陈立国教授。

液滴自发输运在油气输运、水收集、祛湿、可穿戴电子器件的汗液收集等领域具有广泛的应用。驱使液滴自发输运的驱动力通常包括润湿梯度、温度梯度或形状梯度，其中形状梯度是最简便的一种。产生形状梯度最简单的方法是破坏基质前端和尾部的对称性，例如锥形结构。当毛细力占主导时，放置于锥形结构表面的液滴会自发的从锥尖输运到锥基（见图1）。目前，普遍认为液滴在锥形表面自发输运的驱动力源自于几何曲率差引起的拉普拉斯压力梯度。然而，压力梯度取决于液滴内部流体流动和界面弯曲，而非压力梯度驱动液滴自发输运。因此，作者认为压力梯度模型在概念上是不合理的。

图1. 液滴在锥结构表面自发输运（引自: Softer Matter, 2022, 18: 9172-9180）

为探索液滴在锥形表面自发输运机理，本文首先将格子玻尔兹曼颜色模型拓展到变密度比系统，并通过“预估-矫正”方法实施接触角，发展了适用于复杂几何结构的非等密度比两相流动模型。随后，基于该模型并从移动接触线的角度合理地解释了液滴在锥形表面自发输运机理，即表观前进和后退接触角分别大于和小于施加的接触角，为使表观前进和后退接触角与施加的接触角相等，前进和后退接触线均会向基底运动（见图2）。

图2. 液滴在锥形表面自发输运示意图

论文还系统地研究了Bond数、润湿性、锥角和液滴体积对液滴自发输运速度、平衡位置和液滴形状的影响规律。

图3. Bond数对液滴稳态形状和位置的影响

图4. 壁面润湿性对液滴稳态形状和位置的影响

张静刚，2022年6月毕业于西安交通大学能源与动力工程学院流体机械及工程系并获得博士学位；自2022年7月至今在西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院担任准聘副教授。主要研究领域为多相流体动力学、计算流体动力学。已发表SCI论文10余篇，主持国家自然科学基金青年基金项目1项，参与国家自然科学基金项目和陕西省自然科学基金项目各1项。