液滴碰撞不同湿润性表面的行为特征

为了探究湿润性对液滴撞击行为特性的影响,制备超亲水、亲水、超疏水高黏附、超疏水低黏附4类湿润性表面.利用直径为1.96、2.61、3.06 mm的液滴,在不同的高度下开展液滴碰撞4类湿润性表面的实验.结果表明,在不同We下,液滴碰撞特性受撞击表面湿润性的影响较大,在亲水以及超亲水表面主要表现为铺展特性,但在超亲水表面扩展更显著;在超疏水低黏附以及高黏附表面主要表现为弹跳特性,但当表面为低黏附时,液滴主要表现为完全弹跳.在We-Re坐标下,4类表面各自的液滴碰撞特性可以划分为差异明显的不同铺展或者弹跳现象.4类表面各自的扩展系数β随无量纲时间τ的变化趋势随We的变化基本保持不变,但β的最大值随We的增大而增大.     

液滴撞击加热亲水管壁后的反弹和中心射流

采用高速摄像机拍摄水滴撞击加热亲水管壁的动态过程,研究在不同撞击速度（韦伯数）和壁面温度下,液滴撞击后出现的液膜反弹和中心射流现象. 不同于液滴撞击常温亲水管壁,液滴撞击加热亲水管壁后会反弹. 在曲率比（液滴直径与管外壁直径的比值）为0.15,撞击速度为0.47~1.40 m/s,壁面温度为20~305 ℃的条件下,观测到“回缩?反弹”“铺展?反弹”和“破碎?反弹”3种反弹形式,总结其发生条件. 壁面温度是决定液滴撞击后能否发生反弹的关键因素,壁面温度和韦伯数均对“破碎?反弹”的产生有显著影响. 从重力、惯性力和气化反作用力角度分析产生快速“铺展?反弹”现象的原因. 分析中心射流形成原因,发现增加壁面温度和韦伯数有利于不完全中心射流的形成.     

液滴撞击热钢板表面的Leidenfrost现象及其铺展特性

本文对液滴撞击热钢板表面形变特性进行了实验研究.根据压电共振理论设计液滴发生器制取液滴,高速摄像机记录液滴撞击热钢板的行为并用IPP软件进行图像处理.实验结果表明：表面温度在300℃以上时液滴撞击会发生leidenfrost现象,钢板与液滴接触气化冲力是影响液滴leiden frost现象的重要因素;表面温度对液滴铺展时间影响较小,对液滴收缩反弹形态变化影响较大;液滴最大铺展因子随着韦伯数的增大而增大.     

液滴撞击圆柱外表面蒸发换热的数值模拟

为进一步研究液滴撞击加热壁面过程中的破裂现象及不同参数对液滴蒸发换热的影响,采用CLSVOF方法和相变模型对液滴撞击加热圆柱外表面进行三维数值模拟.模拟过程中考虑了壁面温度、接触角以及撞击速度对液滴蒸发换热的影响.结果表明:液滴产生破裂的位置与液滴撞击壁面时的速度有关,当撞击速度较小时,破裂产生于液滴中心处;当撞击速度较大时,破裂处位于中间和边缘两部分液体之间.液滴撞击壁面后,在三相接触线和液滴破裂处附近产生了蒸汽旋涡,强化了液滴与壁面间的换热,增加了液滴侧的壁面热流密度.短时间内壁面温度对液滴蒸发量的影响较小,但撞击速度与接触角对其蒸发量的影响较大,且接触角越小,撞击速度越大,壁面平均热流密度越大,液滴蒸发量越大,有利于液滴与壁面间的换热.     

Al2O3纳米流体液滴撞击壁面的动力学行为数值研究

针对纳米流体液滴撞击固体壁面的动力学行为,建立基于相场方法描述液滴动态过程的二维数值模型,引入Kistler动态接触角模型以模拟铺展过程中液滴动态接触角变化以及三相接触线的迁移. 通过模拟分析液滴铺展因子、无量纲高度的变化研究不同纳米颗粒体积分数、惯性力和液滴直径等因素对水基Al₂O₃纳米流体液滴撞击壁面的铺展回缩过程的影响机制. 结果表明：超过一定体积分数的纳米颗粒使流体表现出明显的剪切稀化特性,增加液滴的黏性耗散,抑制液滴的铺展回缩过程;液滴撞击速度的增加会增大其撞击壁面时最大铺展直径和达到稳定状态的耗时,直径的增加使液滴振荡周期加长;体积分数为4%的纳米颗粒可以抑制上述两者带来的影响,使液滴更快到达稳定状态.     

液滴撞击疏水球面的高速可视化实验研究

基于高速可视化成像实验平台,对液滴撞击疏水球面进行了实验研究,观测并定量表征了液滴撞击过程的动态行为,分析了液滴撞击速度和液滴-球体直径比对液滴撞击行为特征的影响。实验结果表明:撞击过程可分为铺展、回缩和振荡3个阶段;液滴在接触球面后沿接触点向四周均匀铺展,达到最大铺展后回缩,之后进行多次铺展-回缩的振荡过程,直到动能与表面能达到平衡状态,液滴在球面上趋于静止;液滴撞击速度的增加增大了液滴惯性力,促进液滴的铺展,使液滴达到平衡稳定状态所需要的时间增加;液滴-球体直径比对液滴撞击行为特征影响较小。     

表面特性对超声波脱除冷表面冻结液滴的影响

本文研究了表面特性对超声波脱除冷表面冻结液滴的影响,对不同表面特性下超声波对不同粒径和不同冻结时间冻结液滴的脱除效果进行了对比分析. 试验结果表明,超声波可瞬间脱除冷表面冻结液滴,且随着表面接触角的增加,冷表面冻结液滴的脱除概率逐渐增大;冻结液滴粒径越大,冻结时间越长,表面特性对超声波脱除冻结液滴的效果越显著;与普通铝表面上冻结液滴脱除状况相比,表面接触角136°时,超声波可完全脱除其表面上冻结液滴. 试验结果为疏水表面应用于超声波抑/除霜提供了数据支撑.     

壁面过冷度对液滴撞击动力学的影响

为深入探究液滴撞击过冷壁面的动态特性以及不同参数对液滴铺展过程的影响,针对液滴撞击硅片的动态铺展行为进行了可视化实验研究,通过改变撞击速度以及液滴尺寸获得了大范围韦伯数下液滴铺展特性随壁面过冷度变化的普遍规律。结果表明,壁面过冷条件下,在不同韦伯数区域,液滴最大铺展直径随壁面温度的升高呈现不同的变化趋势。在低韦伯数区域(We<190),由于液体黏性及表面张力降低,液滴最大铺展因子随着壁面过冷度的降低而增大;在高韦伯数区域(We>190),液滴最大铺展因子随着壁面过冷度的降低呈现先下降后上升的趋势,该非线性趋势是壁面温度上升导致最大无量纲指状长度的减量与最大内部铺展因子的增量相互竞争的结果;韦伯数为209时,壁面温度从-36.6℃上升至-27.6℃,导致最大铺展因子降低5.9%;较大的韦伯数是液滴四周形成指状形态的前提,较低的壁面温度会加剧液膜减速从而强化该形态;液滴达到最大铺展直径的时间随着壁面温度的上升略有增加,随着液滴尺寸的增加显著增加,但几乎不随撞击速度发生变化。研究结果揭示了壁面过冷度对液滴撞击动力学的显著影响,可为控制固-液接触面积的新策略提供理论依据。     

基于格子Boltzmann的喷印OLED散点墨滴沉积仿真分析

为解决喷印OLED发光层制备中基板污点、涂布不均等问题引起的Mura缺陷,建立基于BGK-LBM（单松弛格子Boltzmann方法）的三维数值模型,对喷印OLED像素槽附近墨滴落点偏差引起的散点沉积缺陷进行仿真分析。先研究不同墨滴尺寸以不同撞击速度撞击不同接触角平板后的最大铺展半径,再以最大铺展半径为参考研究不同润湿性梯度下的像素槽外墨滴的铺展回流。结果表明：对于微米级直径的OLED喷印墨滴,尺寸越大、墨滴撞击速度越大、像素坑内接触角越小其最大铺展半径越大;而针对存在落点偏差的散点,当最大铺展半径大于或等于散点的落点偏差时,将在足够的像素槽基板内外接触角差值引起的润湿性梯度牵引下重新进入像素槽内;撞击速度还影响其回缩阶段的回缩速度,撞击速度越小回缩越慢,因而墨滴会存在受到润湿性梯度的影响而被牵引向润湿度高的一侧;只有当像素槽内外接触角造成的润湿性梯度足够时,在撞击铺展后边缘进入像素槽边界处的墨滴才能被牵引重新流入像素槽内,散点沉积缺陷即得到抑制。本文提出的最大铺展半径可以用来拓宽像素槽外墨滴的有效落点范围,作为喷印OLED制备中打印精度控制的参考,用于指导生产。     

可控硫酸溶液和表面活性剂作用下铜矿石的液体扩散行为及表面润湿性

为了揭示表面活性剂对提高铜矿表面润湿性的潜在作用,采用高速摄像和图像处理方法,对含表面活性剂硫酸溶液的液滴扩散行为进行了可视化研究,并对固液相互作用进行了探讨.结果表明,液体表面张力和矿石表面粗糙度是影响表面润湿性的主要因素.通过定量铺展面积、铺展系数和接触角,揭示了硫酸溶液浓度和表面活性剂对矿石表面润湿性的影响.液滴...     

水滴撞击水平壁面的实验研究及数值分析

针对水滴撞击飞机表面时互相干扰，形成水滴铺展、回弹等动力学行为，使飞机结冰机理更加复杂的问题，对不同条件下水滴撞击壁面的影响特性展开研究。通过实验与数值模拟相结合的方法研究了水滴直径、壁面温度、壁面材料以及初始速度等条件与水滴的铺展和回弹过程之间的关系，并得到铺展系数与各影响参数之间的关联式。研究结果显示：增大水滴直径对最大铺展具有促进作用；壁面温度越大对水滴铺展越有利，但壁面温度过低时，会导致水滴底部冻结，铺展和回弹受限制；壁面材料为有机玻璃，对铺展最有利；水滴初始速度越大越有利于水滴铺展。     

水中油滴在不同润湿性表面上的铺展行为研究

通过高速显微实验与理论推导相结合的方式,从微观角度研究了水中油滴在光滑铜板基底的铺展行为;通过物理和化学修饰,实现了黄铜表面水下超亲油到超疏油的可控调节,观察了油滴浮升到修饰黄铜表面后铺展长度随时间变化的差异.与空气中液滴撞壁铺展不同,水中油滴的铺展需要同时考虑液滴铺展过程中周围流体对液滴铺展的黏性作用,其在基底表面的...     

用晶格波尔兹曼方法研究表面毛糙对表面疏水性的影响

将固体表面近似为具有简单的周期性矩形毛糙结构的表面,通过建立两相流的晶格玻尔兹曼模型研究液滴在固体表面接触角的变化,探讨微结构对固体材料表面疏水性能的影响,为仿生超疏水表面的制备提供思路.     

一步溶液浸泡法制备超疏水铝

基于一步溶液浸泡法制备出超疏水性铝材,扫描电子显微镜和接触角测量仪对铝材表面分析表明,铝表面形成微-纳复合结构,且接触角升高到158°和滚动角低于5°。经红外光谱分析可知,铝表面形成了疏水性十四酸铝。实验发现十四酸溶液中混合溶剂(乙醇和水)的比例对超疏水表面的形成起着关键性的作用。     

超亲水表面在淬火冷却过程中的沸腾传热特性

为了研究超亲水表面对于沸腾传热的强化效果,将氧化硅纳米颗粒沉积在不锈钢球表面上制备一种静态接触角接近于0°的超亲水表面,利用瞬态淬火的方法研究该表面在淬火冷却过程中的沸腾传热特性.实验结果表明,超亲水表面有效提高了淬火速率,冷却时间较原始表面缩短了56.5%.该表面显著提高了临界热流密度及其所对应的表面过热度,较之原始表面分别提高了72.8%和23.3%.超亲水表面润湿性能的改善和汽化核心数的增加对过渡沸腾阶段的传热机理产生了重要影响,可以显著地观察到过渡-膜态沸腾和过渡-核态沸腾2个不同的阶段.     

基于超声压印技术的PET材料表面微结构制备及其疏水性

为考察利用超声压印技术在PET聚合物材料表面制备疏水性微结构的技术可行性,以超声波塑料焊接机为核心搭建了超声压印平台,采用飞秒激光技术在7076航空铝表面制备一系列不同尺寸的立方体微结构疏水性点阵,并以此作为压印模具在PET材料表面制备疏水性微结构,采用白光干涉仪和接触角测量仪对其表面形貌和疏水性进行表征。结果表明:压印后的PET材料表面液滴接触角可达129.5°,较初始PET材料表面液滴接触角74.9°有大幅提升,表明压印后PET材料表面的疏水特性显著提升,证实了利用超声压印技术制备PET材料疏水表面的可行性;模具的疏水性是影响PET材料疏水性的一个关键因素,随着微结构点阵间距的增加,即固液接触的面积分数增加,PET压印样件的疏水性降低;微结构点阵间距相同时,微结构边长越小,其疏水性越好。     

亲-疏水两层结构表面强化蒸汽冷凝传热

为了研究蒸汽在不同润湿性结构表面上的冷凝传热性能,基于协同排液思想和仿生理念,利用化学刻蚀法制备超疏水-超亲水两层结构表面：一层为超疏水表面,另一层为经双氧水氧化的烧结乳突结构表面,2层之间为空腔. 研究组合结构、过冷度和冷却水体积流量对冷凝传热的影响. 实验结果表明：亲-疏水组合结构表面的冷凝传热系数最高. 当过冷度为5.0 K时,组合结构表面的冷凝传热系数分别为光滑铜表面和单一超疏水表面的4.8、1.8倍. 冷凝形成的液滴在向乳突运动的过程中主要受到2个驱动力：接触乳突结构后受到的拉普拉斯压差作用力、乳突内部孔隙所产生的毛细吸力. 组合表面的冷凝传热系数随冷却水体积流量的增大和过冷度的增大而逐渐减小.     

电润湿效应下液滴动态接触行为分析

为研究电润湿条件下液滴动态接触行为的动态变化机制,采用动态接触角理论,建立电润湿下液滴的数值模型,并对液滴动态接触行为进行分析,系统地研究体积和壁面条件对液滴动态行为的影响。结果表明：当液滴体积从2μL增加到6μL时,液滴接触半径的最大振幅从0.16 mm增加到0.23 mm,当液滴初始角度从100°增加到115°时,振幅从0.13 mm增加到0.18 mm;同时,滑移长度从0.5μm增加到2μm时,振幅最大值从0.21 mm增大到0.29 mm。液滴体积越大、壁面的阻力越小和疏水性越强,液滴具有更高的动能以及更大的振荡幅度。此外,液滴初始动能越大,液滴的振荡更加剧烈。通过揭示液滴在电润湿过程中的动态接触行为机制,为通过电润湿效应改善微通道传热特性的研究提供理论依据。     

非均匀润湿性表面捕获液滴的数值模拟

应用VOF模型,对同等大小的液滴在等距间隔亲疏水倾斜表面的滑移运动,进行了大量的二维数值模拟工作,得出了液滴在非均匀润湿性表面上滑移运动,受接触角差值Δθ、Bo数、Ca数以及间隔宽度W相关变量的影响。具体表现为:液滴在较大的接触角差值Δθ的情况下,受到的阻力越大,液滴向下滑移速度较慢;当接触角Δθ足够大时,液滴的速度会降低至零从而停留在斜面上,此时液滴可被壁面捕捉收集;Bo数值越大,液滴滑移受到的阻力越小,下滑处于加速状态,越难以被捕获;Ca数越大,液滴下滑速度同样越快,会在短时间内通过壁面,亦较难捕获。而对于不同间隔宽度W,选取合理中间值W=2/3R(R为液滴半径)时,液滴更易被斜面捕获。     

不同形状疏水性微肋阵内流场Micro-PIV流动可视化研究

运用Micro-PIV显微粒子图像测速系统对不同截面形状、不同接触角微肋阵的流动特性展开可视化研究.通过制备接触角为83°、99.5°、121.5°、151.5°的疏水表面,研究Re数为100～450时工质绕流圆形、椭圆形和菱形微肋阵速度与流线变化,并对流场进行分析.实验结果表明,在圆形微肋阵中尾涡的出现相比于宏观尺度有明显延迟,直到Re达到250时在中间的圆柱尾部才出现对称漩涡.对比3种形状微肋阵可发现,椭圆形具有的流线型结构和菱形具有的细长结构不易发生边界层分离.在经过疏水性处理后,圆形针肋尾部的边界层分离明显延迟,接触角为151.5°的表面边界层最晚分离.