不同温度下飞秒激光制备的微纳结构表面对撞击液滴运动行为的影响

液滴撞击固体表面的现象对于防冰、传热和水管理等技术领域具有重要的意义。不同于常温和低温条件,当固体表面温度升高到一定范围时,撞击表面的液滴会处于一种名为Leidenfrost的热状态,此时液滴会变得相当活跃。在这种状态下,分析撞击液滴的运动行为是很有挑战性的。在本文中,我们通过飞秒激光加工技术制备出了不同形貌的微纳结构表面,通过对比超亲水和超疏水两种极端润湿性表面在不同温度下的液滴撞击行为,分析了温度对撞击表面的液滴运动行为的影响规律。该研究对液滴动力学的理解与控制具有重要意义,并且为未来高温多功能表面的应用开辟了新的思路。

撞击液滴形成的液膜边缘特性

以旋风分离器内液滴撞击筒壁为研究背景,探讨了撞击形成的液膜边缘特性,考察了韦伯数（We）、撞击速度、初始液滴直径对液膜边缘形成的指形液滴和卫星液滴的影响。结果发现：不同We数下,最大液膜直径形成的指形液滴体积分布集中在0.2-0.6,近似于高斯分布 随着We数的增加,大体积卫星液滴出现的几率也随之增大 且卫星液滴的体积随着初始液滴直径和初始撞击速度的增大而增大 另外,在同一铺展过程中,边缘液滴、指形液滴和卫星液滴三者的数量呈依次递减的关系。

Marangoni流动对液滴撞击过热液池影响的数值模拟

对液滴撞击过热液池的动态过程进行数值模拟,着重关注由液池表面不均匀温度引起的马兰戈尼效应(Marangoni effect)对液池内的流场和温度场演化过程的影响。当乙醇液滴落入过热油池后,液池表面温度随着液滴的靠近而迅速下降,从而在径向上产生很大的温度梯度。由此引发的沿径向向内的Marangoni力会与沿径向向外的蒸汽剪切应力相抗衡,进而在蒸汽层最薄的位置形成一个“热射流”结构。随着时间的推进,占据主导地位的Marangoni力逐渐将“热射流”向内推动,直至在液滴下方形成下沉羽流。此外,随着液池黏度的增加,液池内由表面蒸汽应力引起的流动将被抑制,进而导致界面附近的换热效率大幅下降。

Oldroyd-B黏弹性液滴撞击弯曲壁面的数值研究

液滴撞击弯曲壁面现象广泛存在于冶金、化工和航空航天等领域,在某些场景下,液滴混入高分子聚合物后会表现黏弹性特性,为了进一步认识液滴黏弹性对撞击弯曲壁面的影响,对黏弹性液滴撞击弯曲壁面的过程进行数值模拟研究.研究基于相场方法和格子玻尔兹曼(LBM)方法,采用应力场分布函数求解Oldroyd-B本构方程,并施加适用于弯曲壁面的接触角模型,发展了固-液-气三相黏弹性流体模拟方法,对Oldroyd-B黏弹性液滴撞击弯曲壁面问题进行数值模拟,主要研究了黏度比β、韦伯数We和壁面接触角θ对撞击过程的影响.结果表明:撞击过程主要包括4个阶段:运动阶段、铺展阶段、拉伸阶段和撕裂阶段.黏度比β越低,液滴在铺展拉伸阶段动能衰减越慢,转化的表面能更多,但更早进入撕裂阶段,液滴撞击弯曲壁面后,更容易脱离壁面.韦伯数We较小时,液滴主要在壁面处附着或反弹;We较大时,液滴会撕裂并脱离壁面,We越大,液滴在铺展拉伸阶段动能衰减越快,进入撕裂阶段更慢.壁面的亲疏水性会影响液滴最终的状态,疏水性越高,对铺展阶段的阻碍作用越强,液滴越容易发生撕裂和脱离.

液滴撞击柔性基底研究进展

液滴撞击固体基底现象广泛存在于自然界、日常生活及工业生产中.在多数液滴撞击场景中,固体基底可以近似地视为理想刚性基底.然而在一些场景中,具有较小杨氏模量或者几何结构为薄壁或细长类的固体基底在受到液滴撞击后会产生明显的变形,而固体基底的形变反过来又会影响液滴的动力学行为.相比于刚性基底情况,液滴与柔性基底的耦合作用可能会引发新的动力学现象和机制.因此,柔性基底液滴撞击动力学的研究很有意义,也成为一些学者当前关注的研究焦点之一.根据几何结构的特点,柔性基底可以分为柔性体、柔性面和柔性杆3种类型.文章据此分类介绍与这3类柔性基底相关的液滴撞击动力学的研究进展.柔性基底的可变形性是导致其液滴动力学与刚性基底液滴动力学存在差异的根本原因.现有的研究表明,基底柔性对液滴撞击的接触时间、最大铺展因子、气泡捕获、回弹和溅射等方面均存在着影响,其中关于接触时间及溅射方面的结论可能为制造防水、抗冰和防溅射材料提供新思路.

基于格子玻尔兹曼方法的双液滴撞击壁面液膜的热特性演化过程

为了研究并排双液滴撞击覆有液膜的高温壁面过程中壁面热流密度分布特征,基于水热耦合双分布函数格子玻尔兹曼伪势模型,探究了液滴间距、撞击速度和液相黏滞系数在不同时刻对壁面瞬时热流密度分布的影响。结果表明:低温液滴的扩散与下潜导致撞击区和中心射流区的壁面与液膜之间的温度梯度上升,引起撞击区和中心射流区壁面热流密度骤增。撞击区传热形式以对流传热为主,静态区受液冠处速度不连续性影响,其传热形式以扩散传热为主。双液滴撞击速度增大导致液滴下潜和扩展程度加深,液膜内部对流传热增强。双液滴间距增加引起双液滴内侧液冠在液膜内扩展空间增大,造成瞬时壁面高热流密度区域面积增加,利于散热。此外,更大的液相黏滞系数增大了液滴撞击液膜过程中的黏滞耗散,降低低温液滴的下潜程度和撞击区的液膜流场对流强度,导致壁面热流密度峰值减小。

液滴撞击随机粗糙表面的动态行为特性研究

在航空发动机清洗过程中,通过清洗液滴与叶片积垢撞击实现发动机在翼清洗,因此液滴在随机粗糙表面撞击、铺展、浸润的研究对提升发动机在翼清洗效果有重要意义。为获得液滴撞击随机粗糙表面的撞击特性,本文研究了清洗液滴在随机粗糙表面撞击、铺展、浸润的动力学行为,重点分析了液滴直径和撞击速度对撞击特性的影响。结果表明,相比于光滑壁面,由于壁面粗糙度的作用,液滴铺展边缘会产生许多破碎的小液滴,且粗糙结构的凸起和间隙使得间隙内产生气泡进而影响润湿效果;液滴的铺展直径与液滴直径和撞击速度正相关,有助于抵消壁面粗糙度造成的液滴飞溅;壁面润湿程度随液滴直径和撞击速度增加,但撞击速度对撞击核心区域的润湿程度影响较小。本文研究成果可为优化航空发动机在翼清洗工艺参数提供一定的理论依据。

压电喷墨液滴撞击光滑壁面铺展行为的数值研究

目的 研究典型流体相关无量纲参数对墨滴在光滑承印物表面铺展行为的影响,确定各无量纲参数对铺展直径、铺展因子和稳定铺展时间的影响规律。方法 利用Ansys软件,建立墨滴撞击光滑壁面的数值计算模型,采用VOF模型追踪液滴形状,采用PISO算法计算压力速度耦合。引入韦伯数、雷诺数、奥内佐格数来分析墨滴撞击光滑承印物表面的铺展行为。结果 计算获得不同韦伯数、雷诺数、奥内佐格数下墨滴的最大铺展直径、最终平衡铺展直径、最大铺展因子和最终铺展时间。结论 韦伯数和雷诺数对墨滴最大铺展直径的影响较大,对最终平衡直径的影响较小。韦伯数或雷诺数越小,回缩阶段越短,越快达到平衡。韦伯数、雷诺数与最大铺展因子呈明显正相关。奥内佐格数对墨滴的最大铺展直径、最终平衡直径的影响都较小。奥内佐格数越小,回缩阶段越短,越快达到平衡,奥内佐格数与液滴最大铺展因子呈不明显的正相关性。

液滴撞击固体表面研究进展

研究液滴撞击固体表面对工农业生产等领域具有重要意义。针对液滴撞击固体表面产生的动态行为不同的问题,首先总结了液滴撞击固体表面的最大铺展系数和接触时间的预测公式,这对传热和防结冰等应用具有重要意义;然后,综述了液滴撞击固体表面的影响因素,最后介绍了液滴撞击不同固体表面在油水分离、防结冰、自清洁等方面的实际应用。指出了液滴撞击固体表面的未来研究方向。

抑尘液滴对煤表面动态润湿特征模拟评估方法

在煤体表面喷洒抑尘液是涉煤工业企业常用抑尘手段,而抑尘液滴撞击煤表面的润湿过程对抑尘效果具有重要意义。为研究抑尘液滴在煤表面动态润湿过程以及进一步评估液滴润湿性能,提出了液滴撞击煤表面过程中动态润湿指标,基于CLSVOF数值模拟法研究了液滴在煤表面动态润湿过程;利用无量纲润湿长度和无量纲润湿面积评价该过程中体现的润湿性能,并得出最大无量纲润湿长度与最大无量纲润湿面积相关理论表达,同时与表面张力的润湿性评估能力进行了比较。结果表明:CLSVOF方法能够较好地模拟液滴在煤表面的撞击以及动态润湿过程,可用来评估液滴对煤的动态润湿能力。液滴滴落在煤表面上,首先展铺为圆盘状,达到最大展铺时,圆盘边缘与中心存在速度差。当速度差较小时,液滴回缩汇聚成为一个液滴;当速度差较大时,液滴出现断裂行为,形成许多微小液滴。液滴粒径越大,断裂行为越早出现、现象越明显。一旦液滴在煤表面发生破裂,无量纲润湿长度与无量纲润湿面积并不是保持着一致性变化趋势,无量纲润湿面积评估能力更佳。液滴粒径相同时,撞击煤表面的韦伯数越大,润湿能力越好;相同速度下增加粒径对液滴润湿能力影响较小。与表面张力相比,无量纲润湿长度和无量纲润湿面积具有更好的液滴润湿性评估能力,体现出在润湿剂评价、优选中的潜在应用价值。

湿润转变对超疏水表面上撞击液滴结冰影响的研究进展及展望

表面超疏水性是液滴撞击固体表面反弹的基础,利用超疏水表面的液滴反弹特性可从源头上抑制撞击液滴结冰,但湿润转变的发生会使表面的超疏水性失效.本文重点关注湿润转变对超疏水表面上撞击液滴结冰的影响.首先,分别从湿润转变对表面上撞击液滴动力学行为的影响、湿润转变对撞击液滴结冰形式的影响和撞击液滴湿润转变遵循的能量路径及转变机理3个方面梳理当前研究现状.然后,在总结上述研究现状的基础上,对通过表面微结构拓扑设计,实现抑制Cassie-Wenzel不可逆湿润转变,促进Cassie-Wenzel-Cassie可逆湿润转变,以此强化超疏水表面的液滴反弹特性进而抑制撞击液滴结冰的新思路进行了展望.

射频等离子体改性PTFE表面液滴撞击接触起电对润湿性的影响

液滴撞击固体表面是自然界的常见现象,研究超疏水表面的液滴撞击对其润湿性的影响,对于超疏水性材料的潜在应用具有重要的科学意义。采用3、10、20 min氧等离子体处理(OPT)和1 min八氟环丁烷等离子体聚合沉积(PPD)的等离子体方法改性聚四氟乙烯(PTFE)表面,获得具有不同尺寸和间距的微/纳米锥的超疏水PTFE表面,研究射频等离子体改性PTFE表面的液滴静态接触角、滚动角及液滴撞击动力学行为,分析在不同个数液滴撞击后PTFE表面的润湿性和液滴撞击行为变化,确定PTFE表面液滴撞击起电效应的影响机制。结果表明:通过1~9个液滴撞击后,PTFE表面的静态接触角随撞击液滴数量增加而减小,导致静态接触角低于150°;液滴滚动角随撞击液滴数量增加而增大,造成液滴滚动角高于10°。撞击液滴的接触时间随撞击液滴数量增加而增大,回弹系数随撞击液滴数量增加而减小。随撞击液滴数量增加,回弹液滴的正电荷和PTFE表面的负电压增大,PTFE表面的负电荷对液滴产生强吸引作用,导致低粘附超疏水性被破坏。3 min OPT和1 min PPD改性PTFE表面的纳米锥间距小,密度大,表面负电荷量增加明显,造成PTFE表面的疏水性降低的程度最显著。研究结果可为改善超疏水稳定性的表面织构设计提供理论依据。

黏性流体液滴撞击超疏水壁面奇异射流的试验与模拟

液滴在特定条件下撞击超疏水壁面会形成奇异射流现象,该现象产生机理及调控机理有待进一步研究.基于高速显微数码摄像技术,研究不同黏度(0.9~27.7 mPa.s)牛顿流体液滴撞击超疏水壁面(静态接触角为158°)的动态行为,归纳奇异射流发生的相图.通过水平集相界面追踪法,建立液滴撞击超疏水壁面的有限元数值模型.研究结果表明:对于中低黏度(甘油质量分数小于67 wt.%)的液滴,奇异射流现象发生在特定的We数区间.随着液滴黏度的增大,发生奇异射流的We数阈值提高.当液滴的黏度大于14.2 mPa·s后,即使继续提高液滴撞击速度(We>100),奇异射流现象不再出现.奇异射流的产生与回缩阶段液滴内空腔的形成有关,且发生射流时空腔底部有很大的压力集中区.黏度的改变会影响液滴内空腔底部气液交界处的界面形态.随着黏度增加,空腔底部气液相界面将由上凸形转变为下凹形,无法形成向上的射流.奇异射流主要发生于Re在700~1000的区域,且在该区间内奇异射流发生的We数区域较宽,可为液滴动力学行为调控提供理论依据.

液滴撞击移动及旋转表面过程研究综述

基于现有液滴撞击移动及旋转表面的研究,简要阐述液滴撞击移动表面及旋转表面的现象;将移动表面分为平移固体表面、旋转固体表面和移动液膜3种形式,从实验系统、模型建立和数值模拟3个方向对现有的液滴撞击移动表面研究进行总结.液滴撞击移动及旋转表面的研究已有一定基础,而高撞击速度、微小液滴、旋转表面等情况的研究较为空白,旋转表面波推进等理论和实验结果也缺乏数值模拟的补充.基于上述情况,提出液滴撞击移动表面及旋转表面的研究展望.

非等温粗糙表面液滴撞击特性试验与仿真研究

非等温固体表面液滴碰撞现象广泛存在于航空航天领域机械零部件中,液滴碰撞动力学行为的研究对提升机械零部件传热换热以及润滑性能具有重要意义.为获得液滴在非等温粗糙表面的撞击特性,研究了硅油在金属表面撞击、铺展和回缩的动力学行为,并着重分析了硅油黏度、撞击速度、油滴初始直径、金属表面粗糙度及温度对硅油撞击特性的影响.结果表明,在等温表面,液滴最大铺展直径与撞击速度、基体表面温度及液滴初始直径正相关,与基体表面粗糙度、硅油黏度负相关;当表面粗糙度介于6.3~25μm时,其对液滴最大铺展直径影响较小;在非等温表面,液滴回缩过程中少量液体残留并形成尾迹,且残留尾迹随基体温度升高而愈发明显;随后数值模拟了硅油在非等温粗糙表面的碰撞过程,并揭示了基体温度和表面粗糙度的影响机制.本文中研究成果为理解非等温粗糙金属表面液滴的撞击行为提供了丰富的理论和试验依据.

液滴撞击不同曲率过冷波纹面结冰动力学行为及机理研究

耦合CLSVOF和焓-多孔介质方法参数化分析了可变Weber数和壁面过冷度对单液滴撞击不同曲率过冷光滑曲面波纹基底的结冰行为。聚焦于液滴粒径固定时,不同曲率单列波纹板和复列波纹板引起的液滴收缩、振荡和破碎的动力学行为差异的作用机理,探究表面过冷度和液滴初速度对结冰相界面推移速率的影响规律。模拟结果表明,液滴撞击结冰动力学是流场紊乱特性和换热边界时变特征耦合作用的结果。高Weber数撞击导致液滴铺展前缘的Rayleigh-Taylor不稳定波加速液滴结冰,后期液滴破碎引起的界面能转化使结冰速率降低。过冷度的增加可阻碍液膜断裂和减少液滴的周向毛细爬升面积。研究结果对微观液滴毛细结冰动力学和防结冰工程化应用提供理论参考。

激光微织构表面水滴撞击动力学行为特性研究

为了探究低韦伯条件下,微织构超疏水表面的液滴撞击动力学行为特性,利用激光微织构技术在航空用材Ti 6Al4V试样表面用不同扫描速度的纳秒激光制备出三角纹理微纳织构,借助高速摄像实验平台研究水滴撞击水平表面和倾斜表面动力学行为特性。实验结果表明,水滴冲击平表面高度越高,空气越不容易进入片层,使最大铺展系数增加;与平表面相比,相同高度的斜表面滑移时更多空气进入片层,最大铺展系数最小;其中在扫描速度为100mm/s的工况下,表面凸起占比达到64611,表面纳米颗粒最大,微米颗粒最多,表面的静态接触特性与动态接触特性最优。受表面结构和表面能协同作用共同影响水滴弹离表面的状态。本实验可为航空领域制备超疏水、主动防除冰表面提供一定参考。

液滴撞击冷超疏水表面动力学特性分析

采用氟化物改性和喷涂法制备出一种具有边缘效应抗冷凝失效性能的宏观蜂窝结构化超疏水涂层,通过高速摄影和图像处理方法,研究液滴撞击普通光滑铝表面、普通超疏水表面和蜂窝状结构化超疏水表面的撞击过程,获得了接触时间、铺展系数的关系。引入分形维数对凝结液滴生长形貌进行分析,研究结果表明,随着凝结量的增加,超疏水表面形貌越复杂,分形维数越高,液滴撞击后纵向伸展长度越小,液滴最终粘附在超疏水表面。而具有边缘效应的宏观蜂窝结构具有一定的抗冷凝失效性能,并且加速液滴的分裂和在表面的脱离。

液池深度对水滴撞击水面后形态特征影响的实验研究

用实验方法对液滴撞击液面后的形态特征及其机理进行了研究。用高速摄像机记录了不同液池深度下的液滴撞击液面过程,总结出了在不同阶段出现的液坑、液冠、中心射流和次生液滴等特征现象。基于计算机视觉算法开发了图像处理程序,实现了特征几何参数的自动提取。讨论了液池深度、韦伯数、初始液滴直径和液滴下落高度等因素对特征运动形态的影响。结果表明:在韦伯数一定的情况下,当液池深度跨越某个临界值时,液坑、液冠、中心射流和次生液滴等特征现象发生显著变化;液冠–液坑高度比随韦伯数的增大在一定范围内增大;中心射流能否分离出次生液滴与液池深度和初始液滴直径有密切的关系。

液滴在超疏水锥面的弹跳动力学

了解液滴在超疏水表面的弹跳特性,研究其决定性因素对有效控制液滴在表面的弹跳有重要的基础和现实意义。通过研究液滴在超疏水锥面完全回弹的现象,建立数值模型并对其动力学过程进行分析,结果表明,与平面相比,液滴在超疏水锥面上的接触时间增长,发生了反向对称的扩散和收缩现象,并且在回弹过程中液滴拥有更高回弹高度。通过模拟撞击过程中液滴能量和流场的变化,发现液滴在超疏水锥面上有相比于平面更小的黏性耗散,加快了液滴在锥面铺展的进程,成为拥有更高回弹高度的原因。