液滴撞击固体表面是一个古老的研究主题，在诸如药物喷洒、自清洁、喷雾冷却、微流控、喷墨打印等各种工业领域广泛应用。固定撞击条件（液滴物性、大小，撞击速度），改变固体表面单一均匀湿润性可以操控液滴的铺展、回缩、反弹等动态特性。然而，随着航天热控、新能源利用、相变储能、强化传热、生物医学等高新技术的发展，亟需对液滴的移动、合并、分割等复杂动态特性，传热特性，湿润位置和最终沉积形状进行精确操控，改变固体表面单一均匀湿润性已不再满足相应需求。借助新材料和微纳加工技术的发展，制备由亲疏水表面组合的化学非均匀表面成为精确操控液滴的重要手段之一。因此，化学非均匀表面操控液滴成为当前国际学术前沿和热点。关于分割特性研究中，撞击Weber和表面非均匀性与液滴分割之间定量的依变关系还未被揭示，液滴分割的机理模型还未被构建。

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，孙东亮老师作为第二作者，王晓东教授和颜维谋教授作为通讯作者，在传热领域国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer上发表在亲水面上制备单一疏水条分割撞击液滴的论文，论文题目为“Dynamics of droplets impacting hydrophilic surfaces decorated with a hydrophobic strip”。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对液滴分割的影响规律，从而构建了完整的分割相图，同时基于能量守恒原则揭示了液滴分割的物理机理并发展了相应的理论模型。

【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单一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。

（图为数值模拟的液滴分割过程与实验的比较）

（图为液滴撞击物理模型示意图，撞击液滴动态特性主要分为两种：未分割与分割）

（图为在高、中、低撞击Weber下，疏水条宽度和亲水面与疏水条湿润性差异对液滴分割的相图）

论文得出以下结论：⑴ 当固定撞击Weber时，液滴分割的临界疏水条宽度随亲水面与疏水条湿润性差异的增大而减小；当增加撞击Weber时，液滴分割的临界疏水条宽度和临界亲水面与疏水条湿润性差异均减小。⑵ 液滴撞击亲水面上单一疏水条时，呈现出非轴对称的铺展和回缩特性，在疏水条上的铺展和回缩均小于亲水面上，导致粘性耗散减小，从而诱发了液滴分割。⑶ 基于能量守恒，推导了预测撞击液滴分割与否的理论模型，模型与数值计算结果吻合较好。

论文得到了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（2017ZZD006和JB2017136）资助。

撰稿人：王欣