液滴撞击超疏水表面是一种常见的界面现象,广泛应用于喷雾冷却、自清洁、防结冰等传统工程领域,并在液滴能量收集、液膜操控等新兴方向展现出重要潜力。尽管已有大量研究揭示了液滴在静止超疏水表面上的动力学行为,然而现实中液滴常作用于处于运动状态的表面,特别是在表面倾斜与运动耦合的情形下,其撞击动力学机制仍缺乏系统认识。本研究结合实验与数值模拟,系统探讨了液滴在倾斜运动超疏水表面上的铺展与回弹动力学行为。研究表明,受到表面运动方向、气体边界层拖曳力与切向重力分量耦合作用的影响,液滴在低速条件下呈现不对称铺展与回缩,形成典型的“不对称回弹模式”;而在高速运动表面上,液滴前缘显著拉伸,形成类似“鲁珀特之滴”的形态,显著缩短了接触时间(见图1(a))。进一步研究发现,液滴在倾斜运动表面上的动力学行为主要由相对速度(即表面速度与液滴切向速度之差)调控,反映了气体边界层拖曳力与切向惯性之间的耦合效应。当相对速度为零时,液滴铺展最小、接触时间最大;随着相对速度绝对值的增加,最大铺展系数持续上升,接触时间显著缩短,最高可较静止表面降低 47%。此外,表面运动还诱发了液滴的横向位移,有助于避免液滴与表面的二次接触,促进液滴迅速脱离。本研究进一步建立了最大铺展系数、接触时间与横向位移的标度律,结果与实验数据高度吻合(图1(b))。上述结果不仅深化了对液滴撞击运动超疏水表面的物理机制理解,也为相关功能表面设计与液滴调控提供了理论指导。
关键词
液滴撞击,超疏水表面,铺展系数,接触时间
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