馬蘭格尼效應（Marangoni effect），也稱(chēng)為馬蘭戈尼流動(dòng)，是一種由液體表面張力梯度驅動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)現象。它發(fā)生在兩種表面張力不同的液體相接觸的界面上，或者同一液體因溫度、溶質(zhì)濃度、表面活性劑濃度等因素沿其表面產(chǎn)生不均勻分布而導致表面張力變化的情況下。簡(jiǎn)而言之，馬蘭格尼效應是指液體表面張力差異引發(fā)的液面或液滴內部的自發(fā)對流。

一、基本原理

1.表面張力作用：液體表面總是傾向于降低其表面積，以最小化表面能。表面張力就是這一趨勢的體現，它表現為在液體表面垂直于表面方向單位長(cháng)度上的收縮力。

2.表面張力梯度：當液體表面的張力不是均勻分布時(shí)，就會(huì )形成表面張力梯度。這可能是由于溫度、溶質(zhì)濃度、表面活性劑濃度在液面的不均勻分布導致的，因為這些因素通常會(huì )影響液體的表面張力。

3.流體流動(dòng)：由于表面張力梯度的存在，液面處會(huì )產(chǎn)生一個(gè)指向表面張力較高區域的額外壓力差。這個(gè)壓力差驅動(dòng)液體沿著(zhù)表面張力梯度方向流動(dòng)，以試圖消除張力差異，從而形成馬蘭格尼流。

二、現象和工程應用

-液滴蒸發(fā)過(guò)程：液滴在蒸發(fā)過(guò)程中，邊緣處的溶質(zhì)濃度增加或溫度下降可能導致表面張力增大，形成向中心的馬蘭格尼流，影響蒸發(fā)速率和液滴形態(tài)演化。

-焊接冶金：熔池中的溫度梯度引起表面張力變化，可能導致熔池流動(dòng)和成分分布的不均勻，影響焊接質(zhì)量。

-涂料與印刷：在涂覆或印刷過(guò)程中，溶劑揮發(fā)產(chǎn)生的表面張力梯度可能導致涂層的不均勻流動(dòng)或缺陷的形成。

-泡沫穩定與破滅：表面活性劑在泡沫壁上的不均勻分布可引發(fā)馬蘭格尼流，影響泡沫穩定性。同樣，氣泡內部的馬蘭格尼效應可能影響氣泡破裂過(guò)程。

-微流控與生物醫學(xué)：在微流控芯片中，馬蘭格尼效應可用于無(wú)泵驅動(dòng)的液體操縱，如液滴生成、分離、合并等。在生物醫學(xué)領(lǐng)域，它可能影響細胞膜穩定性、藥物傳遞等過(guò)程。

三、CFD仿真策略

在CFD仿真中，模擬馬蘭格尼效應是為了準確預測和理解受表面張力梯度影響的流體流動(dòng)行為。以下是CFD仿真中考慮馬蘭格尼效應的關(guān)鍵步驟和方法：

1.數學(xué)建模：首先需要建立描述流體流動(dòng)和表面張力梯度相互作用的數學(xué)模型。這通常涉及Navier-Stokes方程（描述流體動(dòng)力學(xué)的基本方程）和Cahn-Hilliard方程（用于描述界面濃度或溫度梯度）的耦合求解。對于更簡(jiǎn)單的二維或軸對稱(chēng)問(wèn)題，有時(shí)可以簡(jiǎn)化為Stokes方程。模型中應包含表面張力項，通常通過(guò)Laplace-Young條件或Gibbs-Thomson關(guān)系來(lái)表達表面張力與溫度、濃度的關(guān)系。

2.邊界條件設定：為準確模擬馬蘭格尼效應，需在液氣界面設置適當的邊界條件。這包括定義表面張力的分布、溫度或溶質(zhì)濃度的梯度，以及可能存在的表面活性劑濃度邊界條件。

3.數值方法：選擇合適的數值方法來(lái)離散和求解上述偏微分方程組。這可能包括有限體積法（FVM）、有限元法（FEM）或有限差分法（FDM）。為了處理自由液面或復雜界面形狀，可能還需要采用水平集法、VOF（Volume of Fluid）法或相場(chǎng)法等專(zhuān)門(mén)處理多相流的數值技術(shù)。

4.軟件實(shí)現：使用具備表面張力模型功能的專(zhuān)業(yè)CFD軟件，如ANSYS Fluent、COMSOL Multiphysics、OpenFOAM等，進(jìn)行數值模擬。這些軟件通常內置了處理表面張力效應的模塊或接口，用戶(hù)可以通過(guò)設置相應的物理參數和邊界條件來(lái)激活馬蘭格尼效應的計算。

5.結果分析：對仿真結果進(jìn)行后處理，可視化流動(dòng)場(chǎng)、表面張力分布、液滴形態(tài)演變等，以直觀(guān)理解馬蘭格尼效應的影響。同時(shí)，通過(guò)比較模擬數據與實(shí)驗觀(guān)測或理論預期，驗證模型的準確性，并據此優(yōu)化設計或進(jìn)一步研究流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

在實(shí)際應用中，CFD仿真可以幫助工程師預測和優(yōu)化涉及馬蘭格尼效應的過(guò)程，如：

-預測液滴蒸發(fā)或冷凝過(guò)程：模擬不同初始條件和環(huán)境因素下液滴的蒸發(fā)速度、形態(tài)變化以及內部流動(dòng)模式。

-優(yōu)化焊接工藝：通過(guò)仿真確定最佳的熱源位置、功率分布或保護氣體條件，以減少熔池內的馬蘭格尼流引起的成分偏析和焊接缺陷。

-評估涂料或印刷工藝：預測涂料在干燥過(guò)程中的流動(dòng)行為、表面缺陷的形成以及最終涂層的均勻性。

-設計微流控器件：利用馬蘭格尼效應設計無(wú)泵驅動(dòng)的微流控系統，實(shí)現液滴生成、混合、分離等操作。

總結來(lái)說(shuō)，馬蘭格尼效應是由于液體表面張力梯度引起的自發(fā)流動(dòng)現象，其在眾多自然現象和工程應用中發(fā)揮重要作用。CFD仿真作為一種強大的工具，能夠精確模擬馬蘭格尼效應，為理解和優(yōu)化涉及表面張力梯度的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題提供了有力支持。