带电液滴冲击平板的气膜结构和冲击动力学研究

The impact of liquid droplets on solid surface is a ubiquitous and beautiful phenomenon of fluid dynamics. This classic event has rich physical implications, and the hallmark is the formation of the multiscale gas film upon impact. Immediately prior to the impact, the thickness of the gas layer between the bottom of the droplet and the solid surface is sufficiently thin (on the order of micrometers) that the viscous effect is important and a creeping flow of gas is formed. This introduces multiple characteristic lengths range spanning four orders of magnitude, as well as the instability at the gas-liquid-sold interface. On the other hand, charged droplets play important roles in thunder and storms, exterior painting of automobiles, and electrospray deposition of functional materials. The electric stress at the droplet surface may alter the droplet curvature, change the gas film structure and subsequent flash. Existing researches have made extensive yet separate study on neutral droplet impact and deformation of free liquid surface under intense electric fields, few considered the collective effect of those two factors. Also there is a lack of quantitative measurement of the micro/nano gas film structure and a precise description of the gas film evolution of charged droplets impacting on solid surfaces. This project aims to systematically study the impact dynamics of the charged droplets on smooth solid surfaces. The results obtained from this research will shed light on numerous application areas including spray coating, spray cooling, 3D printing, agriculture protection, and material depositions.

液滴冲击固体表面的现象普遍存在且充分体现着流体力学之美。这一经典现象蕴含着丰富的物理内涵，其标志性体现是多尺度微纳气膜结构的形成。液滴接近壁面约几微米时所形成的气膜粘性效应突显，同时引入了跨度达一万倍的多重特征尺度和气-液-固相互作用及界面失稳。带电液滴在云层雷电产生、汽车喷漆、静电喷雾和农作物植保方面都扮演重要角色。液体表面由于电荷引起静电应力可能改变液滴表面曲率并对气膜结构和飞溅现象产生根本性的改变。目前的研究虽然分别在中性液滴冲击平板与自由液体表面在静电场下的变形有较深入的研究，但未能将二者结合起来，缺乏对带电液滴冲击平板形成的微纳尺度气膜结构的定量测量，缺乏准确描述气膜结构的演变机制模型。本项目拟系统地研究带电液滴冲击平板气膜结构动态演变和润湿冲击动力学。研究所获得的结果可为喷涂、雾化冷却、3D打印、农作物植保、材料沉积等领域提供新的应用思路。

液滴冲击固体表面的现象普遍存在且充分体现着流体力学之美。这一经典现象蕴含着丰富的物理内涵，其标志性体现是多尺度微纳气膜结构的形成。液滴接近壁面约几微米时所形成的气膜粘性效应突显，同时引入了跨度达一万倍的多重特征尺度和气-液-固相互作用及界面失稳。带电液滴在云层雷电产生、汽车喷漆、静电喷雾和农作物植保方面都扮演重要角色。液体表面由于电荷引起静电应力可能改变液滴表面曲率并对气膜结构和飞溅现象产生根本性的改变。目前的研究虽然分别在中性液滴冲击平板与自由液体表面在静电场下的变形有较深入的研究，但未能将二者结合起来，缺乏对带电液滴冲击平板形成的微纳尺度气膜结构的定量测量，缺乏准确描述气膜结构的演变机制模型。本项目以静电应力产生的对液滴近壁表面曲率的影响为核心，系统研究带电液滴冲击平板气膜结构的动态演变过程，研究静电应力对气膜挤压流动的改变，以及对后续润湿动力学行为的影响。通过项目实施，团队①定量测量带电液滴冲击平板形成的微纳尺度气膜结构；②揭示了研究气膜结构对多种应力的响应和演变机制；③研究了气膜影响下的带电液滴冲击润湿动力学。通过对麦克斯韦应力和气膜压力模型的推导获得了基于气体粘度毛细数的临界电量的理论模型。大量实验结果表明实验与模型符合良好。值得注意的是，模型指出液滴带电量只需要是瑞利极限的约1%就可以从根本上改变气膜结构；而1%的无量纲带电量与雨滴的自然带电量相当。在项目支持下在南方科技大学成功举办了第三届移动接触线研究进展研讨会。采用小规模、小同行模式，充分保证参会者进行深入的学术交流，起到了积极的学术交流效果。项目培养两名博士，一名博士后，以及多名研究生。本项目资助发表SCI论文共8篇，其中包括Soft Matter封面文章一篇，Journal of Fluid Mechanics一篇，Physical Review Letters编辑推荐两篇，Physical Review Fluids一篇，Physics of Fluids三篇（含封面文章一篇）。相关成果被《知社学术圈》公众号、中国力学学会“力学科普”公众号等新媒体报道。