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文献综述
液滴撞击壁面的现象广泛存在与自然生活中与工业领域生产中，比如在农业生产中的农药喷洒，平常生活中的喷墨打印，还有工业生产过程中喷雾冷却、淋喷冷却等一系列人类生产活动。液滴撞击固体表面是一个十分复杂的现象，它不仅需要对液滴碰撞进行流动分析与力学分析，还需要考虑到表面与液滴本身的物理化学性质。由于人类在生产生活当中对各问题的要求不同，产生的结果也不尽相同。生物医学和农药喷洒等领域希望液滴能够均匀的平铺在壁面上，更利于生物功能材料与人体组织液的相容和药物效果的发挥；航空航天领域则希望缩短液滴与机体的接触时间，从而有效防止机体结冰。因此，对液滴撞击固体壁面的动力学特性进行系统研究尤为重要。 在液滴撞击固体壁面的研究中，研究人员发现由于超疏水表面的接触角大，和普通表面相比，液滴撞击超疏水表面时液固接触时间短且液滴易滚落[1]，具有很好的防水抗结冰能力，在自清洁、防雾、耐腐蚀、抗冰霜等方面具有较好的应用前景[2]。为了进一步加强超疏水表面的应用，即需要进一步减小液滴撞击后的液固接触时间。近几年大量研究人员通过进一步的研究发现，当液滴以适当速度撞击超疏水柱状阵列表面时会出现“饼状弹跳”，可大幅减少液固接触时间，为进一步提升超疏水表面的自清洁、抗结冰性能提供了科学基础[28]。
近几十年，随着计算机技术的发展与制造高速相机能力的提升，各国科研人员通过搭建理论模型、数值模拟和实验的方法对此问题进行了大量的研究。由于固体表面物理性质、液滴滴落的速度与角度以及液滴本身的物理性质存在差异，液滴撞击常温固体表面后的形态可分为铺展、快速溅射、冠状飞溅、收缩破碎、部分弹跳和完整弹跳[3]。为了探究液滴撞击常温多孔结构表面的动力行为特性，首先需要了解其他因素对液滴撞击形态的影响
液滴特征主要包括液滴本身的物理性质以及液滴滴落的速度和角度两个方面，这两种因素都会对液滴撞击后的动力行为特性产生很大影响。 （1）液滴本身性质 李维仲等[4]用注射器来产生液滴，通过改变注射液体的体积，从而改变液滴的大小。在保证We与Re相近的前提下，通过实验观察得出，在水滴撞击玻璃表面的各阶段中，水滴的大小对撞击过程与液滴形态影响均不明显。杨宝海等[5]以相同初速度的液滴撞击亲水表面，发现在只改变液滴直径的情况下，随着液滴直径的增加，撞击后的最大铺展因数近似呈线性增加，液滴回缩至稳定状态所需时间变长且最终平衡时的铺展面积增加。 陈烽等[6]使用不同类型液滴进行撞击，并通过改变液滴的直径，以此得到不同We、Re的液滴撞击形态。经过大量实验，对所得出的实验结果进行拟合后得到75＜Re＜9000，7＜We＜300时的液滴最大铺展直径与最大铺展面积的关系式。郭亚丽等[7]考虑到使用混合溶液可以改变流体粘度、表面张力等物理性质。在此基础上，制备了不同浓度的NaCl溶液作为实验液滴来撞击不锈钢板，通过实验结果分析得出，由于NaCl溶液浓度的提升，液滴运动粘性系数增大，使得粘性力对液滴撞击形态的影响加大，从而导致铺展系数降低。在此基础上，刘海龙等[8]为探究其他混合溶液对液滴撞击形态的影响，使用碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉制备了三种纳米流体。通过撞击亲水玻璃板的实验得出，加入纳米粒子有效的限制了液滴撞击后的铺展与回缩。在We与纳米粒子质量分数相同的情况下，稠度系数越大，其限制作用越明显。 （2）液滴滴落速度与角度 杨宝海等[9]以不同初速度的水滴撞击超疏水表面，通过实验观察发现，由于撞击液滴的初速度增大，液滴在撞击的各过程中形变更为剧烈且反弹后的形态不规则性增强。刘冬薇等[10]通过数值模拟的方法，模拟得出，撞击速度较小时，液滴撞击超疏水表面会发生反弹现象；撞击速度较大时，液滴撞击超疏水表面经过铺展，在回缩过程中发生回缩破碎现象。毕菲菲等[11]分别用水、无水乙醇与甘油液滴撞击铝表面。实验得出，对于同类液滴，撞击的初速度越大，最大铺展直径与平衡时的铺展因子都会增大。 陆军军等[12]通过实验得出，在We相同的情况下，液滴撞击角度加大，使得液滴横向铺展直径加大，但对达到最大横向铺展直径所需的时间影响较小。姚一娜等[13]对水滴撞击不锈钢倾斜壁面的铺展与滑移特性进行了实验研究。他们通过实验定性的分析出液滴撞击倾斜表面过程中We与壁面倾斜度对最大铺展直径与最大滑移距离的影响。
闫哲等[14]通过数值模拟的方法得到了水滴撞击不同固体表面的数学物理模型,并通过实验结果对比验证了其可行性。李维仲等[4]通过改变铝板的粗糙度，观察到随着表面粗糙度的增加，水滴撞击后的最大铺展直径会变小。但在稳定后，液滴与固体表面的接触面积增大，接触角变小。 在固体表面的性质中，其润湿性是研究人员们关注的重点。梁超[15]使用VOF方法对液滴撞击不同润湿性的固体表面进行模拟，并且可与实验结果匹配。李西营[16]与代超等[17]分别制备不同润湿性的固体表面以探究润湿性对液滴撞击特性的影响。通过实验得出，液滴的最大铺展直径受固体表面的润湿性影响不大，但润湿性对液滴的碰撞形态有较大影响。液滴在亲水性表面上主要表现铺展特性；当表面为超亲水时，液滴铺展更显著。在超疏水表面，主要展现弹跳特性；当表面为低黏附时，液滴主要表现为完全弹跳。此外，还通过改变We数，在Re-We坐标下，将液滴撞击各润湿性表面的液滴形态分为不同种类现象。杨舒生[18]使用碳纳米管阵列构建具有不同亲、疏水特性的固体表面，探究液滴撞击特性，并结合前人经验，构建了可适用于多种润湿表面下的混合接触角模型。 如同上文所述，由于液滴在撞击超疏水壁面后会产生反弹现象，对壁面的自清洁、抗结冰等功能的提升具有很大作用，这引起了研究人员的大量关注。
Rioboo等[19]发现液滴撞击固体表面会出现回缩现象。这种收缩阶段是否发生宏观上取决于液滴撞击固体表面的最大压缩铺展直径Dmax的大小，而实际上是否可达到要求主要依赖于固体表面的接触角。因此，可推断当液滴撞击具有大接触角的超疏水表面时，会产生明显回缩，可从表面上弹起。Okumura等[20]进一步解释了液滴在平整超疏水表面上的弹跳近似于一种弹簧的简谐运动。Richard等[21]经过试验研究表明，固定体积的液滴撞击到超疏水平面上时，接触时间为一定值，满足公式： 其中，rho;为液滴密度，R0为液滴半径，delta;为液滴表面张力。 黄亚男[22]制备镁合金疏水/超疏水表面，通过观察到液滴撞击疏水壁面的形态变化分为三个阶段：液滴撞击壁面后的迅速铺展阶段，达到最大铺展后固－液接触直径减小的收缩阶段和液滴向上运动的回弹阶段。通过对不同疏水性的镁合金固体壁面的撞击，分析得出疏水性强弱对液滴撞击形态的影响。张轩翊[23]通过液滴撞击碳纳米纸的实验，定量分析了液滴的低速反弹行为，将之分为两个阶段：与超疏水表面的接触阶段和弹起阶段。对于接触阶段，发现液滴最大铺展系数随撞击速度的增大而增大，达到最大铺展系数所需要的时间随撞击速度的增大先减小后增大；对于弹起阶段，随着撞击速度的增大，液滴的最大弹起高度先增大后减小。
根据Richard的研究，我们可以得到，当液滴体积相同时，接触时间恒定，这显然不利于抗结冰等能力的进一步提高。近些年来，为了进一步减小液滴撞击后的液固接触时间，研究人员发现当液滴以合适速度撞击具有特定结构的超疏水表面时会产生“饼状弹跳”的现象，即液滴撞击后不产生回缩或回缩很小，此现象使接触时间大大减小。 高文谦[24]通过浇注法与热压法制备具有不同尺寸的超疏水阵列柱状结构表面，通过改变柱状阵列结构的尺寸，发现液滴的撞击形态分为三种：饼状弹跳，接触时间减少的非饼状弹跳，以及接触时间基本不减少的非饼状弹跳。通过进一步研究得到了可以产生饼状弹跳的柱状结构尺寸的极限值，以及极限尺寸内液滴撞击后的接触时间与柱状结构尺寸的关系。郭纯方[25]采用电火花线切割结合化学刻蚀、氟化处理的方法，在具有单条状半圆柱宏观结构表面上进行微纳处理形成超疏水结构表面，并通过改变半圆柱结构直径与液滴当量直径的相对大小，得到了在不同We与直径比下的液滴撞击形态。赵长林[26]为解决目前微纳结构制作机器昂贵，流程复杂的情况，提出了基于激光加工铝基锥孔模具，聚合物浇筑复制的工艺方法制备超疏水锥柱阵列，得到的模具可反复使用，大大节约了成本。通过实验得出分析得出锥柱间距、锥柱的形状角度与底端直径对液滴撞击的接触时间的影响。 Guo[27]等通过在固体表面上设计亚毫米级的疏水脊，并根据实验数据得出此表面可减少近70%的接触时间，并且比起撞击平板，这种表面更易使液滴破碎。这样的特性可利用到表面的自清洁或冬天防冻结等日常问题中。Liu[28]等人通过在超疏水表面上构建不同的微柱结构，并进行化学处理后，使液滴撞击此超疏水表面产生“饼状弹跳”。比起普通的液滴反弹，这种形态的液滴接触时间仅为1/4。此外，他们还通过改变微结构形态，以在更广的液滴滴落速度范围内实现“饼状弹跳”。
通过阅读上述文献，简单了解目前国内外研究人员对液滴撞击固体表面的动力行为特征。其中，影响液滴撞击固体表面的动力行为特性的因素包括液滴的We、Re，撞击表面的粗糙度、润湿性等。在此基础上，由于液滴撞击超疏水表面所具有的弹起的特点，对表面自清洁等功能具有很大的作用。为了进一步减少液滴撞击后的液固接触时间，制备具有特定结构的超疏水结构表面以实现“饼状弹跳”是一种被广泛关注的方法。通过文献调研，目前，各国科研人员对液滴撞击超疏水多孔结构表面的动力学行为特性研究较少，所以，本课题意在对此方面进行探究。 |
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： |
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本课题围绕着液滴撞击多孔结构表面的动力行为特征进行研究。首先是制备多孔结构超疏水表面与纳米结构超疏水表面（非多孔结构表面），通过微量注射泵形成约10L的水滴。用高速相机对水滴撞击多孔结构与非多孔结构表面的动力行为进行拍摄，并用imageJ图像处理软件对水滴的形态变化、固液接触时间及动力学特性进行对比和分析。 （1）液滴撞击多孔结构表面的理论学习 通过阅读相应的国内外文献，了解液滴撞击固体表面的研究进展，并了解液滴撞击不同固体表面的动力特征的影响因素。学习并掌握多孔结构表面构建方法及高速相机的使用方法。 （2）实验方法 搭建液滴碰撞实验平台，对水滴撞击多孔结构表面的动力行为特征进行研究。
（3）数据分析 利用imageJ图像处理软件，得出不同情况下水滴撞击表面的撞击形态、最大铺展直径、固液接触时间等特征。使用Origin绘图软件直观的表示出不同因素对水滴撞击表面的动力特征的影响，并通过理论分析其撞击特征变化的原因。 参考文献： [1]徐文骥，宋金龙，孙晶，等.金属基体超疏水表面制备及应用的研究进展 [J]. 材料工程 , 2011(5):93-98. [2]刘森云,沈一洲,朱春玲,陶杰,谢磊.液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制[J].航空学报,2017,38(02):96-104. [3]毅男. 超疏水表面不同温度液滴碰撞的研究[D].上海交通大学,2015. [4]李维仲,朱卫英,权生林,姜远新.液滴撞击水平固体表面的可视化实验研究[J].热科学与技术,2008(02):155-160. [5]杨宝海,朱恂,王宏,廖强,丁玉栋,陈蓉.不同直径液滴撞击亲水壁面动态特性实验研究[J].工程热物理学报,2014,35(01):91-94. [6]陈烽,王登飞,蔡子琦,高正明,刘新卫.液滴撞击固体表面过程的实验研究[J].北京化工大学学报(自然科学版),2019,46(04):14-23. [7]郭亚丽,陈桂影,沈胜强,张京涛,王明旭,曹雪松,郑周虎.盐水液滴撞击固体壁面接触特性实验研究[J].工程热物理学报,2015,36(07):1547-1552. [8]刘海龙,沈学峰,王睿,曹宇,王军锋.纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究[J].力学学报,2018,50(05):1024-1031. [9]杨宝海,王宏,朱恂,丁玉栋,周劲.速度对液滴撞击超疏水壁面行为特性的影响[J].化工学报,2012,63(10):3027-3033. [10]刘冬薇,宁智,吕明,阎凯,孙春华.液滴撞击超疏水壁面反弹及破碎行为研究[J].计算力学学报,2016,33(01):107-113. [11]毕菲菲,郭亚丽,沈胜强,陈觉先,李熠桥.液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究[J].物理学报,2012,61(18):293-298. [12]陆军军,陈雪莉,曹显奎,刘海峰,于遵宏.液滴撞击平板的铺展特征[J].化学反应工程与工艺,2007(06):505-511. [13]姚一娜,李聪,陶振翔,杨锐.液滴碰撞倾斜壁面的动力学特性[J].清华大学学报(自然科学版),2019,59(02):129-134. [14]闫哲,李艳,李川,张维红,袁瀚,梅宁.液滴撞击不同固体表面的数值模拟研究[J].热科学与技术,2018,17(01):8-14. [15]梁超,王宏,朱恂,陈蓉,丁玉栋,廖强.液滴撞击不同浸润性壁面动态过程的数值模拟[J].化工学报,2013,64(08):2745-2751. [16]李西营.液滴撞击固体壁面的实验及理论研究[D].大连理工大学,2010. [17]代超,纪献兵,周冬冬,王野,徐进良.液滴碰撞不同湿润性表面的行为特征[J].浙江大学学报(工学版),2018,52(01):36-42. [18]杨舒生.液滴撞击碳纳米管阵列表面动态特性的实验与数值模拟研究[D].江苏大学,2018. [19]RiobooR，Tropea C，Marengo M. Outcomes from a drop impact on solid surfaces[J].Atomization amp; Sprays, 2001,11(2):155-165. [20]Okumura K，Chevy F，Richard D，et al. Water spring：A model for bouncing drops[J].Epl,2003,62(2):237-243. [21]Richard D，Clanet C，Quere D. Surface phenomena-Contact time of a bouncing drop[J].Nature, 2002,417(6891):811. [22]黄亚男. 液滴撞击镁合金疏水/超疏水表面的动力学特性研究[D].大连海事大学,2016. [23]张轩翊. 超疏水表面的液滴撞击实验和减阻特性研究[D].华中科技大学,2018. [24]高明谦. 液滴饼状弹跳超疏水柱状阵列结构尺寸研究[D].大连理工大学,2017. [25]郭纯方. 疏水性表面液滴碰撞与传热机理基础研究[D].大连理工大学,2019. [26]赵长林. 超疏水锥柱阵列的模具复制工艺及其液固接触特性研究[D].大连理工大学,2019. [27]Chunfang Guo, Danyang Zhao, Yanjun Sun, Minjie Wang, and Yahua Liu. Droplet Impact on Anisotropic Superhydrophobic Surfaces. Lngmuir, 34, 3533, 2018. [28]Yahua Liu, Lisa Moevius, Xinpeng Xu, Tiezheng Qian, Julia M. Yeomans, and Zuankai Wang. Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces. Nature Physics, 10, 515, 2014. |
