液滴撞击倾斜粗糙板面的力学行为研究

Multiscale effect and delicate flow mechanism are believed to involved in drop deposition or splashing on solid walls. Drop impact splashing is also supposed to be relevant to air cavity generation during water entry of solid spheres. The understanding of drop impact can support the development of techniques of inkjet printing, coating and anti-icing, etc. So far, ones mainly have concerned the splashing threshold and the influences of surface complexity when droplet impacts onto plates perpendicularly. The goal of the program is to explore the underlying mechanisms of the droplet impact onto an inclined surface, which might be rough. And the splashing of the droplet will be investigated as well. Among the issues, we will focus on the hydrodynamic fundamentals of the impact, the roughness influences on the splashing, and the length scale effects. The viscous effects are believed to play important role when the droplet is small enough. During the project, experimental and theoretical study will be conducted, and some necessary numerical simulations as well. Some basic phenomena, including air film entrapment, contact line pinning and the stability of the interface or liquid film, will be investigated in detail, which will further support ones’ understanding on the droplet impact. On the other hand, the presented study can further be correlated to the occurrence of water entry cavity with the influence of roughness.

液滴在固壁表面的撞击溅射与反弹具有多尺度复杂流动特征，其中涉及微尺度气膜干扰、液膜铺展稳定性、毛细现象中的多尺度耦合效应等。它是当前理论研究的热点方向，相关研究同时可以为柔性电子线路喷墨打印、飞机防冰等技术的发展提供理论支撑。对于液滴溅射现象的研究目前集中在液滴对板面的垂直撞击过程，及固壁表面特性的影响等方面。对液滴倾斜撞击粗糙板面的研究相对缺乏，而它更接近真实情况。本研究将主要采用相场数值模拟技术、在实验中采用固定倾斜或高速水平移动台等方法，开展液滴撞击研究。我们将全面研究液滴撞击切向速度、固壁表面“缺陷”、环境气压对液膜溅射/液滴反弹等的影响，以及该过程中的尺度效应。本工作将揭示，移动接触线失稳后液膜的高速溅射演化受各微尺度作用影响的物理机制；同时也将探讨接触线运动的局部不协调性对整个液滴反弹过程的作用原理。本研究也可为结构体入水空泡产生过程中的粗糙度影响机理，提供进一步的理论支持。

本研究以复杂条件下液滴撞击固壁平板过程研究为背景，基于实验、数值模拟和理论分析方法，探讨在冲击过程中小尺度运动与宏观表面波演化的耦合效应，探讨毛细波发展机理。基于上述构想，本研究着重开展了液滴撞击均匀和非均匀平板过程的自由面演化及液滴反弹过程，发现了液滴在撞击最大铺展以后收缩的两个阶段，分别阐明了其机理。探讨了液滴在亲疏水条带交界处的液滴最大铺展后的非对称收缩，揭示了各部分收缩的力学机理，结合数值模拟阐明了促发液滴倾斜反弹的表面波汇聚机理。研究的第二部分为冲击条件下的弯曲自由面非线性演化机理。研究表明，自由面动力学中，RM不稳定性是促使下凹自由面在冲击条件下形成射流的重要原因；在双层下凹液面冲击实验中，获得了复合双层液体射流，结合粘性边界层思想成功构建了物理模型预测了复合射流速度；在水下（电火花）爆炸泡冲击与“带缺陷”平直自由液面的耦合，同样可以促使高速液体射流的形成。研究提出了自由面边界模型，成功建立了带缺陷平直自由面冲击射流速度预测模型。第三部分工作利用格子Boltzmann方法，针对固壁表面气泡群的演化过程开展了研究。分别针对自由空间的气泡群Ostwald熟化过程和壁面气泡粗理化过程做了数值方法的验证和进一步研究。研究结果表明：LBM方法对于水动力学和热力学（相变、物质输运）过程具有较高的模拟精度，可以在统一的理论-方法框架下对物理过程进行再现；除了探讨了自由空间熟化过程机理以外，针对固壁表面液滴熟化过程建立了理论预测模型，揭示了液滴几何特征对熟化过程气泡消长参数的影响；对于非均匀表面的液滴-气泡熟化过程，确定了固定接触角和固定接触线两种模式，并发现了非均匀表面上Israelachvili接触角模型的适用性。本研究以液滴撞击复杂平板力学机理为着眼点，分析和理论研究了移动接触线与自由面运动的非线性耦合关系，获得了相应的理论模型，一方面可以直接用于指导液滴撞击能量捕获、细射流等相关工程的设计，并且为后期的进一步研究奠定了基础。