高速转动表面调控固液界面实现液滴快速高效脱附

近日，哈尔滨工业大学（深圳）郝崇磊助理教授、清华大学冯西桥教授以及香港理工大学王钻开教授合作开展了液滴在旋转表面碰撞动力学研究的实验与理论工作。该工作发现了固体表面的旋转运动改变固液接触方式的新现象及新机理：高速旋转超疏水表面导致铺展液滴内部产生新的三相接触线，与外部接触线同时双向回缩，使得液滴呈现出独特的环状反弹脱离现象，同时极大减少固液作用时间，加速液滴从表界面的脱附。相关成果以”Rotating Surfaces Promote the Shedding of Droplets”为题发表在Research上。

Citation:

Tao R, Fang W, Wu J, Dou B, Xu W, Zheng Z, Li B, Wang Z, Feng X, Hao C. Rotating Surfaces Promote the Shedding of Droplets. Research 2023;6:Article 0023. https://doi.org/10.34133/research.0023

研究背景

固/液接触时间是衡量界面动态润湿性的重要参数，也是决定固液之间质量、动量和能量传递效率的关键因素之一。因此，如何减少固/液作用时间并促进复杂表面液滴高效流动与传输是界面流体学的一个重要问题。过往研究多集中于如何减少液滴与静止表面的固液作用时间。然而，在工程应用中，表面常处于转动运动状态以实现多样化功能，例如直升机旋翼和涡轮机叶片等。相较于静止表面，运动表面的液滴动力学行为更加复杂，对相关机制的理解和对液滴动态行为的调控也更具价值。

研究进展

针对这一现状，作者开展了液滴在旋转超疏水表面撞击的研究工作，发现在旋转表面，液滴动力学行为发生改变，碰撞的液滴呈环状反弹，固液接触时间相较于静止超疏水表面减少40%。同时，呈环状反弹的液滴由于普拉托-瑞利不稳定性影响，自发断裂为若干子液滴，并沿径向散射，从而避免了液滴与基底撞击点的二次接触（图1）。

图1  液滴在旋转表面呈环状反弹

作者研究了液滴在旋转表面的动力学特征。在旋转表面，液膜破裂后，会产生一条额外的内三相接触线，促进液滴回缩，从而减少固液接触时间。实验发现，旋转表面上的接触时间减少行为主要由液滴回缩阶段的固液相互作用决定。进一步，研究结果表明，液滴在低韦伯数（或低碰撞速度）时，固液接触时间遵守传统“惯性-毛细定律”，即固液接触时间与碰撞速度无关，同时无量纲液滴最大铺展直径与韦伯数We的关系为Dmax/D0 ~ We1/4。在高韦伯数（或高碰撞速度）时，固液接触时间随碰撞速度升高而降低，此时Dmax/D0 ~ We1/3（图2）。

图2  液滴在旋转表面的动力学表征

利用Fluent软件对液滴在旋转表面的碰撞行为进行了数值模拟。模拟结果与实验现象相符：即液滴呈环状反弹的同时固液接触时间减少，内接触线的回缩速度远大于外接触线。此外，模拟也展示了实验中难以可视化的细节：随着表面转速的增加，铺展液膜更容易发生破碎，从而引起空穴成核位点增加；而液滴碰撞速度的增加会导致液膜更快发生破碎，内三相接触线的回缩过程开始得更早。因此，增加液滴碰撞速度或是转速都会促进固液接触时间的减少（图3）。

图3  数值模拟液滴在旋转表面的碰撞过程

最后，阐明了该工作的普适性。即表面旋转运动引起的固液接触时间缩短可以推广到更为广泛的工作条件，包括利用不同尺寸的液滴、选取不同液滴相对旋转运动中心的碰撞位置以及采用不同的基底材料或特征结构等（图4）。

 图4  旋转表面引起固液接触时间减少的普适性

未来展望

该工作一方面揭示了旋转表面的固液相互作用机理，另一方面提出了一种新的主动调控固液接触时间的方法，在流体与热能传输、能源收集、防污减阻、自清洁和防覆冰等涉及多物理场耦合的机械工程场景具有重要应用前景。

作者简介

郝崇磊，现任哈尔滨工业大学（深圳）助理教授，近年来主要从事仿生机械表界面及流体定向输运等方面的研究，并取得了一系列重要的研究成果，在Nature Communications、National Science Review等国际知名期刊上发表多篇论文。

冯西桥，现任清华大学航天航空学院教授，教育部“长江学者计划”特聘教授，兼任中国力学学会副理事长。在损伤与断裂力学、生物力学等领域取得了多项创新成果，已发表专著3部，SCI论文400余篇，他引约1.5万次。曾获国家自然科学二等奖（2019）、中国高校自然科学奖一等奖3项（2007，2015，2017）、国家杰出青年科学基金（2005）等奖励。

王钻开，现任香港理工大学机械工程系讲座教授及协理副校长，Droplet杂志执行主编，香港研究资助局高级研究学者，2022年度科睿唯安高被引科学家。获得裘槎优秀科研者奖（2023）、首届中银香港科技创新奖（2022）、首届青山科技奖（2021）、科学探索奖（2020）等奖项。

转自：“蔻享学术”微信公众号

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