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王欣同学在《AIChE Journal》发表论文

发布日期:2020-08-22

近些年来,随着新材料和微纳加工技术的发展,人们在自然界的启发下制备出各种各样的微结构表面和仿生表面。例如,受荷叶表面结构的启发,在固体表面加工微结构可制成超疏水表面,使接触角超过150º,甚至达到170º,液滴撞击极易发生反弹现象。液滴的反弹现象推动了自清洁、防结冰、防结露和防腐蚀等高新技术的变革,成为当前国际学术前沿和热点。迄今为止,诸多学者主要关注单液滴撞击超疏水表面反弹动力学的研究。然而,实际应用中超疏水表面大多置于多液滴撞击的动态条件下。不同于单液滴,多液滴间相互合并行为势必对反弹产生重要影响。然而,合并过程对多液滴反弹动力学和接触时间的作用机理还未被揭示,多液滴反弹动力学过程尚未明晰。

基于上述问题,华北电力大学工程热物理研究中心王欣同学作为第一作者,王晓东教授作为通讯作者,在化学工程领域国际期刊AIChE  Journal上发表两液滴同时撞击超疏水表面反弹动力学的论文,论文题目为“Rebound dynamics of two droplets simultaneously impacting a flat superhydrophobic surface”。该项工作系统研究了撞击Weber数和液滴间距对多液滴反弹的影响规律,从而构建了多液滴接触时间相图。同时,揭示了液滴间合并过程对反弹动力学的作用机理。


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【论文概述】

基于格子玻尔兹曼方法,论文建立两液滴撞击超疏水表面反弹的三维数值计算模型,采用多重弛豫时间(MRT)碰撞算子解决了密度比的限制和物理结果对粘度的依赖,保证了数值稳定性。通过与实验结果对比,该模型稳定可靠。论文探究了在高、中、低Weber数下,液滴间距对反弹特性和接触时间的影响。

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(图为两液滴同时同速撞击超疏水表面物理模型示意图)


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(图为数值模拟的两液滴合并反弹过程与实验的比较)


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(图为不同Weber数和间距下,两液滴撞击超疏水表面反弹模式和接触时间相图)


论文得出以下结论:⑴ 发现改变间距时,两液滴撞击超疏水表面后呈三种反弹机制:完全合并反弹机制,部分合并反弹机制,未合并反弹机制。随着撞击Weber数的降低,改变间距时,两液滴反弹机制由三种减少为两种,甚至一种。⑵ 与完全合并反弹和未合并反弹两种机制相比,部分合并反弹机制时,两液滴接触时间较小,甚至小于相同撞击条件下单液滴的接触时间。⑶ 揭示了液脊和液桥是影响液滴间合并行为的根本,进而决定了两液滴的反弹机制。

论文得到了国家自然科学基金(51936004)、国家杰出青年科学基金(51525602)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51821004)和中央高校基础科研项目(2020MS060)资助。


撰稿人:王欣