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液滴撞击超疏水表面的动力学行为及接触时间

林殿吉  
【摘要】:液滴对超疏水表面的撞击现象广泛存在于工业应用中,如防结冰、自清洁、防腐蚀等领域。在这些领域中,液滴与表面之间总会伴随着动量、能量、甚至质量的交换,交换程度与二者之间的接触时间直接相关,因此掌握接触时间的变化规律具有十分重要的现实意义。影响接触时间的因素主要包括:液滴自身的物理性质(密度、表面张力和粘度等)、液滴的撞击速度、固体表面的物理化学性质(如浸润性、粗糙度、微结构和倾角等);对于多液滴撞击,接触时间还会受到液滴间相互作用的影响。目前,通过改变固体表面性质降低接触时间的方法已被提出,但研究仍处于起步阶段,还需要进一步检验这些方法的可靠性,同时也需要探索更多的新方法。此外,现有方法主要针对单液滴撞击,然而对于多液滴撞击,液滴间复杂的相互作用如何影响接触时间尚不明晰,是当前亟待解决的问题。格子玻尔兹曼方法具有边界处理简单、自动追踪两相界面和并行效率高等优势,已被广泛用于液滴撞击的研究。本文利用多松弛伪势格子玻尔兹曼模型,实现了气液大密度比的模拟,使得模拟结果更接近真实流体。利用该模型分析了液滴撞击超疏水表面的动力学行为和接触时间,主要研究内容包括:(1)单液滴撞击带有单根宏观矩形脊的超疏水表面;(2)单液滴撞击带有平行宏观矩形脊的倾斜超疏水表面;(3)双液滴撞击光滑倾斜超疏水表面;(4)双液滴撞击带有三种不同宏观结构的超疏水表面。本文旨在揭示固体表面性质和液滴间相互作用对液滴撞击超疏水表面接触时间的影响机理和规律,提出降低接触时间的有效方法,为防结冰等技术的发展提供理论依据。本文研究结果表明,在超疏水表面上引入矩形的宏观脊,可以激发液滴的非对称铺展和收缩过程,导致液滴被分裂成两个子液滴各自弹起,显著减少液滴撞击的接触时间。通过分析液滴撞击宏观脊的动力学行为,发现在撞击速度、脊高度和脊宽度的共同影响下,分裂后的液滴存在三种收缩方式,分别是一次收缩弹起、二次收缩弹起和一次收缩后合并弹起。收缩方式决定了收缩时间的长短,从而改变了接触时间,其中液滴一次收缩弹起的接触时间最短,最大可降低为平表面的52%。液滴撞击带有平行宏观脊的倾斜超疏水表面,依赖于液滴法向速度、脊间距、脊高度和表面倾角,液滴出现分裂和未分裂两种动力学模式,增加撞击速度、脊间距、脊高度和表面倾角,液滴更容易发生分裂现象。在未分裂模式下,液滴非对称的铺展和收缩是影响接触时间的关键因素,非对称性越强,接触时间越短。非对称性的强弱与宏观脊的几何参数、表面倾角和法向速度均有关系。在分裂模式下,子液滴一旦接触到相邻的脊,就会与之发生粘附并沿脊滑行,粘附作用成为改变接触时间的关键原因。在倾斜表面上,分裂模式的接触时间比未分裂模式长。两个液滴(前导液滴和后续液滴)先后撞击倾斜表面时,增加后续液滴的撞击速度将会促进两液滴的相互作用,如果后续液滴的速度超过临界值,就会导致合并后的液滴与表面发生再接触,增加接触时间。如果再接触发生在疏水表面,液滴甚至无法从表面弹起。增加两液滴撞击点之间的距离,有利于合并后液滴的反弹,获得更低的接触时间。为降低两液滴同时撞击超疏水平表面的接触时间,分析了在表面分别放置浴缸型凹槽、竖直壁面和矩形脊三种宏观结构对接触时间的影响。在宏观结构作用下,液滴的铺展和收缩过程表现出明显的非对称性,合并后的液滴会以一种波浪反弹模式离开表面,接触时间均低于平表面。宏观结构的几何参数和两液滴之间的距离是影响接触时间的关键参数。液滴撞击浴缸型凹槽超疏水表面的接触时间最小,比平表面最多可下降41%,然而竖直壁面和矩形脊可改变液滴撞击后的反弹方向。


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