液滴撞击超滑亲水固体表面的动态特性研究

作     者：宋雅杰 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马学虎

授予年度：2022年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：超滑亲水固体表面 液滴撞击 接触线钉扎 最大铺展直径 

摘      要：液滴撞击固体表面的动态相互作用对于许多新兴应用至关重要,例如电子冷却、喷墨打印、集水/收集、防结霜/结冰、微流体和生物医学设备。了解液体在固体表面铺展的物理现象和机理对于提高工艺效率和开发各种工业系统的先进技术至关重要。尽管近二十年来对液滴撞击的运动学特征进行了广泛的研究,但接触角滞后作为表面润湿性的主要参数,其作用机制并不清晰。已有研究表明,具有低接触角滞后的超滑亲水固体表面在冷凝和除霜过程中表现出优异的传热传质性能,但液滴撞击具有超低接触角滞后的亲水性表面的铺展特性尚不清楚。本文研究了液滴在具有37°的平衡接触角和3°的低接触角滞后的超滑亲水固体表面(ultra-SHI)上的撞击铺展过程。系统地比较了超滑亲水固体表面与普通亲水表面、羟基化亲水表面和普通疏水表面上液滴的铺展特性。结果表明,液滴的最大铺展因子主要取决于接触角,而保持在最大铺展直径的时间则与接触角滞后密切相关。接触角相似时,接触角滞后减小可以减少达到最大铺展直径的时间和保持最大铺展直径的时间。液滴在水平ultra-SHI表面的最大铺展因子符合D/D～We。ultra-SHI表面各处物理和化学均匀,并不会出现使三相线钉扎的局部自由能最小值,铺展回缩过程中各点克服的能量壁垒相同,三相线都呈现圆滑状,且中心凹坑处的波传播规则,液膜回升平滑,保持同步回缩。当液滴处于膜态蒸发状态时,由于液滴三相接触线钉扎作用不明显,呈现恒定接触角的蒸发模式。当液滴撞击倾斜表面时,接触角影响接触直径和滑动距离,接触角滞后会影响液滴回缩状态后的运动状态。液滴撞击倾斜的ultra-SHI表面后以恒定的速度继续滑动。液滴撞击倾斜ultra-SHI表面的最大接触直径符合D/D～We。通过加入乙醇调控液滴在ultra-SHI表面的润湿状态。乙醇水液滴以较低速度撞击常温ultra-SHI表面,随着乙醇浓度的增加,液滴的表面张力减小,液滴与表面接触面积增大,液滴的回缩速度减缓。在膜态蒸发阶段,乙醇水液滴的回缩过程中出现了中心先回缩、液膜边缘后回缩的现象。当液滴处于核态沸腾阶段和过度沸腾状态,少量乙醇的加入使得液滴的雾化破碎比纯水液滴更加剧烈,抑制了液滴反弹,并且在过度沸腾状态乙醇水液滴撞击表面后发生了爆炸破碎现象。乙醇的加入有利于液滴铺展、雾化和破碎,促使沸腾现象提前发生并带走热量,有利于冷却效率的提高。研究结果不仅表明了表面润湿性对液滴铺展特性的重要作用,而且为控制撞击液滴与超滑亲水固体表面的相互作用提供了途径。