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王欣同学在《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》发表论文

发布日期:2020-08-22

液滴动态行为的调控在微化工、相变传热、喷雾冷却、微流控芯片等领域都具有广泛的应用。液滴的动态湿润过程包含着复杂的界面现象,借助界面效应对液滴动态行为进行调控是液滴调控领域的热点方向。固体表面的图案化使原有表面由单一湿润性转变为混合湿润性,从而能够达到调控液滴动态行为的目的。目前,由亲疏水表面组合而成的化学非均匀表面已经成为制备图案化混合湿润表面的重要手段之一,备受广大学者们的青睐。比如,借助亲疏水表面组合而成的混合湿润表面精准操控液滴的移动,合并、分割等复杂的动态特性,传热特性,湿润位置和最终的沉积形状等。然而,关于操控液滴分割为多个子液滴的研究中,为实现对多液滴分割的精准操控,如何设计混合表面的湿润性?此外,撞击Weber和混合表面非均匀性与多液滴分割之间的依变关系以及多液滴的分割机理还未被揭示。

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,王晓东教授李笃中教授作为通讯作者,在物理化学领域的国际期刊Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers上发表在亲水面上制备十字形疏水图案的混合表面分割撞击液滴的论文,论文题目为“Controllable splitting of impacting droplets by hybrid-wettability surface”。该项工作系统研究了亲水面亲水性、疏水条疏水性、疏水条宽度和撞击Weber数对液滴分割的影响规律,从而构建了完整的分割相图,并展示了相应的分割机理路径图。同时,实现了对分割时间和分割体积的精准操控。


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【论文概述】

基于计算流体动力学方法,论文建立液滴撞击亲水面上十字形疏水条的三维数值计算模型,采用VOF方法并结合网格自适应技术和Blake动态接触角模型精确追踪气液界面。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,疏水条宽度和亲水面与疏水条湿润性差异对撞击液滴分割特性的影响。

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(图为液滴撞击混合湿润性表面物理模型示意图:蓝色区域为亲水面,黄色区域为疏水面)


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(图为液滴分割的相图,共四种分割结果:no splitting Іno splitting ІІsplitting Іsplitting ІІ


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(图为液滴分割机理路径图:左侧基于Weber数和疏水条宽度的相图;右侧基于亲水面亲水性和疏水条疏水性的相图)


论文得出以下结论:⑴ 液滴撞击混合湿润性表面时,在亲水面上的铺展大于疏水条上,而回缩比疏水条上的弱,导致液滴呈现出非轴对称的铺展和回缩特性,从而诱发了液滴分割。⑵ 通过改变混合非均匀表面湿润特性,可以实现液滴的分割和不分割。根据不同的液滴分割路径,具体分为四种不同的结果:no splitting Іno splitting ІІsplitting Іsplitting ІІ。⑶ 通过控制疏水条宽度比例和夹角可以实现对液滴分割体积和分割时间的操控。

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