在户外电气设备、电子芯片冷却及低温储能等场景中,液滴与带电固体表面的撞击行为涉及电场诱导相变、界面热输运及多物理场耦合动力学等复杂过程。针对液固界面换热温差与电场协同作用下的液滴运动行为,本研究通过实验观测与数值建模相结合的方法,系统揭示了温差诱导相变产物对液滴动力学特性的调控机制,以及电场对液滴凝固、反弹与界面粘连行为的影响规律。实验发现,当液滴撞击具有换热温差的冷壁面(基板温度低于液滴冰点)时,液滴铺展阶段会在固液界面附近诱发冷凝微液滴群的生成,这些微米级液滴通过增强界面粘滞力显著削弱液滴的反弹能力,使接触时间延长 30%~50%。进一步研究表明,具有微纳结构的超疏水表面可降低粘滞临界温度至 -22 ℃,较光滑表面提升 15 ℃,这一特性为低温环境下的液滴防粘连设计提供了关键参数。
研究构建了耦合电场力、流场速度梯度与凝固相变动力学的多物理场模型,首次将电场对相变成核率的影响机制引入液滴撞击理论框架。数值模拟结果表明,电场通过增强固液界面处的电荷积累抑制液滴底部细丝的脱离过程,导致液滴在凝固阶段形成 “粘连成丝” 现象,且电场强度每增加 5 kV/cm,细丝断裂时间延迟约 18 ms。实验观测到过冷液滴在电场作用下呈现稳定的饼状弹跳模式,可有效抑制传统高场强下的尖端喷射与电晕放电现象,使反弹高度提升 40%~60%。通过表面结构优化发现,采用倒角半径为 50 μm 的棱角设计可降低场强畸变率 25%,在 15 kV/cm 电场中实现过冷液滴的完全反弹与高效去除,该结构参数为静电式液滴操控器件的抗粘连设计提供了工程化解决方案。研究结果表明,电场力与换热温差的协同作用可通过调控相变产物分布、界面电荷输运及流体微结构演化,实现对液滴运动行为的多维度操控。本研究建立的多物理场耦合模型与表面结构优化方法,为低温储能系统的液滴循环利用、静电除尘设备的抗结冰设计及微电子器件的高效散热提供了理论支撑与技术路径,未来可进一步拓展至多组分混合液滴及非均匀电场场景的动力学研究。
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