液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb252017Vol38No2SSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educahkxb@buaa．educn液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制刘森云1，沈一洲1’2，朱春玲1’*，陶杰2，谢磊31．南京航空航天大学航空宇航学院，南京2100162．南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京2100163．中航工业飞机股份有限公司研发中心环控救生所，汉中723213摘要：针对飞机表面易结冰部位设计超疏水表面，可以大幅度减轻对高能耗防／除冰技术的依赖程度，进而提

2、高飞机的燃油经济性。主要通过实验研究与数值模拟的手段，分析讨论了液滴撞击分级粗糙结构超疏水表面过程中的能量耗散机制。以Ti6A14V为基体经过喷砂处理形成微米级粗糙结构，然后在1mol／L的低浓度NaOH溶液中水热生长一层一维纳米线，构建出微／纳米复合粗糙结构并氟化修饰获得超疏水表面。通过场发射扫描电镜(FE_sEM)观察了微观形貌的变化规律，利用动态视频接触角测量仪表征试样表面液滴表观接触角与接触角滞后。基于气液两相流动界面追踪的复合LevelsetVOF方法，实现了液滴撞击超疏水表面过程的数值模拟。采用高速摄像技术记录了撞击液滴在超疏水表面的运动过程，实验验证了模拟方法与

3、铺展计算模型的正确性，并详细讨论了液滴运动过程中的能量耗散问题，分析表明液滴撞击过程中的能量耗散主要取决于超疏水表面的动态润湿特性和润湿界面模型。关键词：超疏水表面；撞击液滴；数值模拟；能量耗散；润湿界面模型中图分类号：V250．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)02—520710—09润湿性是固体表面非常重要的性质之一，El常生活中极其容易被观察到，如荷叶上滚动的水珠、河面上急速行走的水黾、蚊子的防雾眼睛等[1。3]。正是这些常见的自然现象给予了人们巨大的灵感，通过表面化学组成与表面微观结构的协同作用，设计出特殊非润湿性的功能表面，即超疏水表面(接触角

4、大于150。，滚动角小于10。)。基于这样的仿生构建思路，科研工作者不断地致力于制备并应用这样的非润湿性表面H]。由于其具有巨大的应用潜力，例如防水、自清洁、流体减阻、防结冰及防腐蚀等，超疏水表面的开发与应用将极大地改善和促进能源的进一步可持续发展。考虑到超疏水表面潜在的实际应用多是处于动态条件下，即液滴持续地撞击固体表面，大量的小韦伯数(We<10)撞击液滴将首先铺展到最大直径，然后收缩到一定程度并最终弹离表面[5“]。撞击液滴与固体表面的接触过程被认为是极为重要的，其直接决定了在实际应用条件下固一液之间热量与能量的转化程度口]，尤其是在固体表面防结冰研究领域。撞击液滴在超

5、疏水表面的运动过程中，其能量耗散与固一液接触时间是评价固体表面防冰性能极为重要的两个因素。因此，当前甚至将来一段时间的相关研究，不应该仅聚焦在超疏水表面的高表观接触角和低接触角滞收稿日期：2016—08．26；退修日期：2016—09—26；录用日期：2016—10．26；网络出版时间：2016—10—2808：22网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V．20161028．0822．002．html基金项目：国家“973”计划(201508755800)；国家自然科学基金(11372335)；博士后创新人才支持计划(BX20160007

6、3)；江苏高校优势学科建设工程*通讯作者E—mail：clzhu@nuaaeducrl引用格武：翱森云，沈一潲．来春玲，等．液滴撞击超疏水表面的能量耗散机翻!如航空学报，2017．38(2)：520710L

7、USY，SHENYZ，ZHUCL，etalEnergydissipationmechanismofdropletsimpactingsuperhydrophobicsurfaces[J2ActaAeronauticaetAstro-nauticaSinica．2017，38(2)：520710．520710．1航空学报后的研究上，降低撞击液滴的固一液接触时问以及了解液滴运

8、动过程的能量耗散问题也是相当重要的课题，研究表明，撞击液滴在超疏水表面运动过程中克服黏滞阻力做功又直接影响着固一液接触时间。目前，一些研究者针对液滴在固体表面的撞击过程做分析研究，Liu等[8。9]研究发现，相同微米级尺度条件下，圆锥状微米结构显著地增强了撞击液滴“圆饼”状反弹的能力，显示出较小的撞击液滴的固一液接触时间以及较低的能量耗散值，同时给出了发生此现象(“圆饼”状反弹)的临界流体条件。Aussillous和Qu6r6强调固体表面的润湿滞后是阻止固体表面液滴运动的关键因素，也是导致运动液滴能量耗