多孔介质中的颗粒悬浮液蒸发在制药、喷墨打印、微纳材料制备、芯片散热等诸多领域具有广泛的应用。多孔介质蒸发过程中，气液界面由于蒸发或毛细输运出现后退或前进。纳米颗粒一方面随着气液界面的前进/后退在界面周围和界面上发生聚集效应，影响当地流体的粘性、气液界面的表面张力、以及气液界面的面积；另一方面在当地液体蒸发完后形成沉积结构，对孔隙进行堵塞；两方面的作用都将进一步影响孔隙流动及蒸发。可见，纳米颗粒聚集使得多孔介质蒸发这一多物理场动态耦合过程变得更加复杂，相关机理更加难以揭示。

近日，西工大极端力学研究院/航空学院青年教师秦飞飞副教授等人考虑纳米颗粒聚集的三种作用：当地流体粘性增大、表面张力下降、蒸发速率下降，发展了一种多物理场耦合的格子Boltzmann模型，用于多孔介质中纳米颗粒悬浮液蒸发的直接数值模拟。首先通过对两端开口的单孔蒸发进行模拟，揭示了三种作用对蒸发速率、颗粒运输和沉积量的影响。而后将模型应用于不规则二维多孔介质的蒸发，通过系列数值模拟研究了纳米颗粒浓度、多孔介质/颗粒润湿性、颗粒扩散系数等参数对液体蒸发、孔隙流动、颗粒沉积的影响机理。研究发现：随着纳米颗粒浓度增大，颗粒聚集效应增强，蒸发速率快速减小；随着多孔介质接触角增大，颗粒聚集的总团簇减少，每个团簇的体积增大，但整体蒸发速率变化不明显；随着颗粒接触角增大，气液界面更易被颗粒占据，蒸发速率明显下降；随着颗粒扩散系数的增大，颗粒不易发生聚集而倾向于均匀分布，对蒸发速率的抑制作用减弱。最后，作者提出了纳米颗粒浓度、多孔介质/颗粒润湿性、颗粒扩散系数对研究的多孔介质蒸发速率的标度率关系，与数值模拟结果吻合良好。

该研究成果以“Lattice Boltzmann modelling of colloidal suspensions drying in porous media accounting for local nanoparticle effects”为题发表于流体力学顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》，第一作者为秦飞飞副教授，合作者包括瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）Jan Carmeliet讲席教授等学者。西北工业大学为该论文的第一署名单位，该研究得到了瑞士国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2023.344

（撰稿：秦飞飞，审核：郗恒东）