超疏水表面的液滴撞击实验和减阻特性研究

发布时间：2020-07-16 20:26

【摘要】：超疏水表面由于其具有的减阻性、自清洁性等优点,在工农业生产和日常生活中有着广泛的应用前景。液滴与表面的作用一直是人们研究的重点,本文搭建了液滴从不同高度落下撞击超疏水表面的实验台,产生的液滴直径为2~3mm,下落高度为1~20cm,利用高速CCD相机成功采集到了撞击过程的图像,并用Matlab对采集的图像进行处理。观察到了液滴在超疏水表面的两种典型的动力学行为,即低速撞击的反弹行为和高速撞击的破碎行为(伴随着液桥的断裂和卫星液滴的形成),并对两种行为产生的机理进行了一定的解释。定量分析了液滴的低速反弹行为,将之分为两个阶段:与超疏水表面的接触阶段以及弹起阶段。对于接触阶段,发现液滴最大铺展系数随撞击速度的增大而增大,达到最大铺展系数所需要的时间随撞击速度的增大先减小后增大;对于弹起阶段,随着撞击速度的增大,液滴的最大弹起高度先增大后减小,液滴的恢复系数随之减小,此外对最大铺展系数与Re、We的关系式进行了推导。超疏水表面的微结构形貌又影响其表面流体的流动特性,本文采用商业软件FLUENT对不同微结构的超疏水表面在层流下的流场特性进行模拟,分析了微形貌类型、流动速度、微结构尺寸对减阻率、滑移速度、滑移长度等的影响规律。模拟结果发现,圆柱状微凸起间和圆柱状微凹坑内部都储存有空气,在气液界面上流体速度不为零,有明显的速度滑移。微形貌类型对减阻率有明显的影响,圆柱状微凸起超疏水表面的减阻效果要优于圆柱状微凹坑超疏水表面,前者最大的减阻率达到了24%。滑移长度与自由剪切面积比、形貌周期长度符合一定的理论公式。本文还利用Micro-PIV方法对梯形截面超疏水和超亲水微通道在流量为4.5μL/min时的速度场进行了观测。发现超亲水微通道的速度曲线较超疏水微通道的速度曲线更加上凸,即流场中的最大流速比超疏水微通道内大。另外在左右近壁面处,速度曲线出现上扬,即由于壁面倾斜只有单侧有荧光粒子,导致实验测得的速度不准偏大。此外,对实验进一步的调试和改进也提出了几点想法。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.70
【图文】：

示意图,荷叶,表面接触,液滴

我国的舰船潜艇必须具备远海、深海作战。据有关资料统计表明，对于水面舰船，流体下潜艇这一数值则高达 70%。研究表明若流体航速条件下，航程可增加 11.1%，所以减阻对舰学家 Wilhelm 和 Barthlott[1, 2]通过一系列实验，，揭示了荷叶表面的奥秘。他们发现荷叶表面是由于这些微纳结构使荷叶表面在常态下形成，使得雨水、灰尘等与荷叶接触时大部分都隔滴无法完全渗透到荷叶表面，灰尘与荷叶之间自清洁的效果，如图 1-1 所示。至此以后越来[3, 4]在实际中的应用，材料的疏水性是指表面其表面自由能对疏水性起决定性作用。

示意图,理想固体,接触角,壁面

的润湿行为般采用接触角来表征，通常将 < 90 的表面称为水性表面，其中 > 150 的表面称为超疏水表面。束缚，因此其与壁面的接触面积很小，铺展半径想表面，其接触角满足 Young[11]方程：0 SG SL LGcos ( )/ -固界面的表面张力系数，SL 表示液-固界面的表面面张力系数，0 为理想壁面的本征接触角，如图接触角只与固、液、气三相两两之间的表面张力体壁面的表面能，因此固体壁面的表面能对其润

状态图,粗糙壁面,接触状态,状态

糙度的增加而增加，即粗糙结构会让疏水表面更疏水。enzel 模型中默认液体会进入到表面微结构内部，而有些实一部分空气托住液体，Cassie[13]提出了这种接触模式下表C 0cos f(1 cos ) 1复合接触面上的固液界面分数，很明显f <1。当0 >90 ，C 是逐渐增大的，也就是说对于疏水表面，降低复合接触面加疏水，这为超疏水表面的制备提供了指导。从 Cassie 模表面粗糙度对一般粗糙的固体壁面润湿性有着重要影响，模式如图 1-3 所示。因此要想获得超疏水表面必须具备两面能的材料构成；2.固体壁面有一定的粗糙度。

【参考文献】