液滴冲击超疏水表面过程中的冲击力与超疏水稳定性机理研究

The stability of the wetting state of drops with superhydrophobic surfaces is the fundamental issue for superhydrophobic surfaces in applications of self-cleaning and anti-icing, et al. Meanwhile, the impact force is the key factor which leads to the failure of the robust superhydrophobic wetting state. A thorough understanding of the effect of dynamic impact force on the robustness of superhydrophobicity has not yet been achieved, which limits the practical application of the superhydrophobic surfaces in many areas such as aircraft, energy and chemical engineering, et al. In this project, the instantaneous impact force and drop morphology will be recorded experimentally at the same time to investigate the effect of the liquid properties, kinematic parameters and the wetting properties on the impact force and wetting state. Numerical simulations will be carried out to study the effect of the dynamic pressure on the stability of the wetting state and the mechanical property of the substrate texture. Models of a drop colliding with the superhydrophobic surface based on fluid mechanics theory and dimensional analysis will be quantitatively developed to find out the relations between the impact force and other factors, to figure out the critical impact velocity that results in wetting state transition. This project expects to enrich the understanding of the interaction between the drop and superhydrophobic surfaces, and provide theoretical guidelines for designing highly stable superhydrophobic surfaces.

液滴在超疏水表面上润湿状态的稳定性是保证超疏水表面实现自清洁、抗结冰等重要应用的基础，而液滴冲击超疏水表面过程中的冲击力是导致液滴丧失稳定超疏水状态的关键因素。目前有关液滴动态冲击力对超疏水稳定性影响机制的研究还不够深入，从而制约了超疏水表面在航天航空、能源、化工等领域的应用。本项目拟采用实验方法研究液滴和超疏水表面间的作用力，实现对液滴瞬态冲击力和形态变化的同步测量，获得液滴物性参数、运动参数以及基底润湿特性参数对液滴冲击力和润湿状态转换的影响规律；结合数值模拟，揭示液滴内压强分布的时空特性对液—气界面润湿状态稳定性以及微结构力学稳定性的影响机制；基于流体动力学理论和量纲分析，建立液滴冲击超疏水表面的冲击力模型，明确冲击力与各影响因素间的定量关系，获得液滴冲击条件下润湿状态转换的临界碰撞速度。本项目期望加深对液滴和超疏水表面间相互作用的理解，为设计具有更高稳定性的超疏水表面提供理论指导。

超疏水表面因具有自清洁、防冰、防霜、防污等方面的优异性能而有望在航空航天、能源、国防、医疗卫生等领域广泛应用，然而液滴冲击超疏水表面过程中的冲击力会导致液滴超疏水状态失稳进而影响超疏水材料的实际应用。本项目通过实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，探究了液滴运动参数、物性参数和基底表面润湿特性参数对液滴冲击过程中瞬态冲击力特性和液滴形态变化的影响规律，揭示了其动力学机制，为理解液滴与超疏水表面的动态相互作用以及设计具有高稳定性疏水功能的材料提供了新的视角。取得的重要结果有：1）搭建了液滴瞬态冲击力和形态演化同步测量实验平台，构建了能准确预测液滴冲击超疏水表面过程的数值模型。2）发现了液滴冲击平坦超疏水表面的典型冲击力时间曲线存在两个峰值，明确了第一个峰值源于冲击过程中液滴动量的快速变化，第二个峰值源于液滴回缩过程中形成的Worthington射流；对于非粘性液滴，基于第二个峰值随韦伯数的变化规律，发现了四个特征区间：毛细区、射流区、惯性区和飞溅区，揭示了各区间内冲击力的物理机制；对于粘性液滴，发现第一个峰值随雷诺数的减小而增大，第二个峰值则随雷诺数的减小而减小。3）发现了射流区中因气穴失稳而引发高速Worthington射流，该射流导致第二个峰值远高于第一个峰值，该情形更容易引起超疏水失稳现象。4）探究了基底润湿特性参数对液滴动力学过程的影响，发现液滴在固体表面的接触角对冲击力初始阶段的第一个峰值几乎没有影响，其影响主要表现在反弹阶段冲击力的第二个峰值；液滴冲击单稳态超疏水表面的冲击力在两个峰值演化过程中存在周期性波动，明确了该波动来源于毛细波与微结构间的相互作用。5）建立了液滴冲击平坦超疏水表面过程中的冲击力模型，明确了冲击力峰值与各参数之间的定量关系。项目执行期间共发表学术论文4篇，均为SCI收录。其中部分研究内容发表在期刊《Physical Review Letters》上，并被选为Editors’ Suggestion；同时，《Nature》期刊将该成果选为Research Highlight并进行了报道。