基于格子玻尔兹曼模型的双向各向异性液滴在仿生超疏水倾斜通道上的滑动行为模拟

《Langmuir》：Lattice Boltzmann Simulation of Bidirectional Anisotropic Droplet Sliding on Bioinspired Superhydrophobic Inclined Channels

液滴在周期性脊状超疏水表面的滑动行为通过LBM模拟研究，揭示沟槽倾角（65-85°）和宽度（22-25 lu）调控三相接触线，实现150°±2°高接触角，双向滑动各向异性源于阻力竞争机制，几何对称性（γa>60°）可降低方向差异至<6°，为生物仿生微流控通道开发提供理论框架。

　　

本研究采用格子玻尔兹曼方法（LBM）系统地研究了液滴在具有宏观脊状结构的倾斜超疏水表面上的滑动行为，深入探讨了表面疏水性和各向异性滑动现象。通过模拟水稻叶片和蝴蝶翅膀的微观结构，构建了一个具有周期性排列的宏观脊状超疏水表面模型。数值模拟结果表明，宏观脊状结构通过调控三相接触线（TPCL）产生了方向性固定效应。在临界沟槽配置下（沟槽倾斜角 γ_a = 65–85°，沟槽宽度 L = 22–25 l.u.），通过毛细作用抑制和TPCL稳定作用实现了150° ± 2°的高接触角。双向滑动各向异性源于不同的阻力机制：沿沟槽倾斜方向前进时，由于TPCL的曲率减小，滑动角度较小；而在与沟槽倾斜方向相反的方向上，由于正常反作用力的增强，滑动角度较大。当 γ_a > 60° 时，几何对称性减轻了固定效应的异质性，使双向滑动角度的差异降至 < 6°。这些发现验证了一个综合建模框架的有效性，该框架将接触线动力学与几何参数优化相结合。该框架专为开发生物启发式的微流控通道而设计，在这些通道中，可通过精确调节沟槽倾斜角来实现可编程的方向性液体传输。