论文部分内容阅读
超疏水表面在防湿壁、防结冰、自清洁、强化传热等领域拥有巨大的应用潜力，促进液滴单元在超疏水表面上快速弹跳是实现超疏水表面优化设计的重要理论基础。本课题采用高速摄影、数值模拟和理论分析结合的方法，系统地研究了超疏水微结构表面上液滴弹跳动力学机理。主要研究内容如下：
采用高速摄影研究了超疏水微结构表面上的液滴撞击动力学特性。结果表明，微结构表面实现均匀超疏水，且壁面固相率较大时，液滴撞击触底后能在铺展达到最大时发生饼状弹跳。进一步的理论分析表明，最大铺展时间和液体的回缩时间基本不随Weber数(We)变化，当这两个时间尺度相近时，液滴发生饼状弹跳，与实验结果吻合良好。
在此基础上开展了基于格子Boltzmann方法的数值模拟，结果表明，液滴以任意角度撞击超疏水表面会出现四种反弹模式，包括传统回缩反弹、不完全回缩反弹、刺穿回缩反弹以及滚动反弹。其中，撞击倾斜度的引入可在低Ohnesorge数(Oh)下显著拓宽不完全回缩反弹的范围，进而减少接触时间，这是由于倾斜撞击会造成不对称铺展和回缩所致；在高Oh数下则会引发滚动反弹，同样使接触时间明显减少。
考虑到超疏水表面上液滴融合释放的表面能可驱动液滴发生自发弹跳的巨大潜力，数值模拟研究了壁面性质对弹跳速度的影响，并理论推导了液滴发生弹跳的临界壁面条件，以及对应最大弹跳速度的最优壁面条件。结果表明，壁面粘附力和有效撞击压力共同控制液滴融合的动力学过程。随固相率的减小，融合的液滴出现“不弹跳”—“弹跳”—“不弹跳”的非单调趋势。当固相率较大时，“不弹跳”至“弹跳”的过渡边界与无量纲表面粘附能有关。而当固相率较小时，“弹跳”至“不弹跳”的过渡主要受控于无量纲的有效撞击压力。此外，当液滴在微结构表面上的润湿状态由Cassie-Baxter状态向部分润湿状态过渡时，液滴的弹跳速度最大。为了预测该临界条件，基于润湿理论提出了一个浸润指数，预测结果与前人实验和本文模拟结果符合良好。
认识到液滴自驱弹跳的关键在于液桥与壁面相互作用，进一步考虑界面结构效应，研究了阶梯结构对于超疏水表面液滴弹跳的影响。结果表明，采用阶梯结构一方面可以提高液桥的撞击速度，另一方面其尖棱结构也会使液滴底部加速收缩，从而提高液滴弹跳速度。在超疏水表面上引入阶梯结构后，液滴法向无量纲弹跳速度可由0.28提高至0.54。
本文提出采用高固相率的超疏水微结构表面实现饼状反弹，引入撞击倾斜度促进不完全回缩反弹和滚动反弹，引入阶梯结构促进液滴自驱动弹跳，以及理论确定的液滴自驱动弹跳的临界和壁面参数条件，对于超疏水表面在防湿壁/结冰、强化冷凝传热等领域的应用具有重要理论指导意义。
采用高速摄影研究了超疏水微结构表面上的液滴撞击动力学特性。结果表明，微结构表面实现均匀超疏水，且壁面固相率较大时，液滴撞击触底后能在铺展达到最大时发生饼状弹跳。进一步的理论分析表明，最大铺展时间和液体的回缩时间基本不随Weber数(We)变化，当这两个时间尺度相近时，液滴发生饼状弹跳，与实验结果吻合良好。
在此基础上开展了基于格子Boltzmann方法的数值模拟，结果表明，液滴以任意角度撞击超疏水表面会出现四种反弹模式，包括传统回缩反弹、不完全回缩反弹、刺穿回缩反弹以及滚动反弹。其中，撞击倾斜度的引入可在低Ohnesorge数(Oh)下显著拓宽不完全回缩反弹的范围，进而减少接触时间，这是由于倾斜撞击会造成不对称铺展和回缩所致；在高Oh数下则会引发滚动反弹，同样使接触时间明显减少。
考虑到超疏水表面上液滴融合释放的表面能可驱动液滴发生自发弹跳的巨大潜力，数值模拟研究了壁面性质对弹跳速度的影响，并理论推导了液滴发生弹跳的临界壁面条件，以及对应最大弹跳速度的最优壁面条件。结果表明，壁面粘附力和有效撞击压力共同控制液滴融合的动力学过程。随固相率的减小，融合的液滴出现“不弹跳”—“弹跳”—“不弹跳”的非单调趋势。当固相率较大时，“不弹跳”至“弹跳”的过渡边界与无量纲表面粘附能有关。而当固相率较小时，“弹跳”至“不弹跳”的过渡主要受控于无量纲的有效撞击压力。此外，当液滴在微结构表面上的润湿状态由Cassie-Baxter状态向部分润湿状态过渡时，液滴的弹跳速度最大。为了预测该临界条件，基于润湿理论提出了一个浸润指数，预测结果与前人实验和本文模拟结果符合良好。
认识到液滴自驱弹跳的关键在于液桥与壁面相互作用，进一步考虑界面结构效应，研究了阶梯结构对于超疏水表面液滴弹跳的影响。结果表明，采用阶梯结构一方面可以提高液桥的撞击速度，另一方面其尖棱结构也会使液滴底部加速收缩，从而提高液滴弹跳速度。在超疏水表面上引入阶梯结构后，液滴法向无量纲弹跳速度可由0.28提高至0.54。
本文提出采用高固相率的超疏水微结构表面实现饼状反弹，引入撞击倾斜度促进不完全回缩反弹和滚动反弹，引入阶梯结构促进液滴自驱动弹跳，以及理论确定的液滴自驱动弹跳的临界和壁面参数条件，对于超疏水表面在防湿壁/结冰、强化冷凝传热等领域的应用具有重要理论指导意义。