航空航天学院在超疏水表面微纳米液滴自发合并弹跳的能量模型研究取得新进展

近期，航空航天学院黄军杰副教授等在超疏水表面微纳米液滴自发合并弹跳的能量模型研究取得新进展，有关成果在自然指数期刊Applied Physics Letters发表，题为“Energy- d modeling of micro- and nanodroplet jumping upon coalescence on superhydrophobic surfaces”。

固体表面液滴的自发合并弹跳在凝结传热、防雾、防冰表面等领域有重要意义，是实现滴状冷凝传热、防雾、防冰等功能的基础。例如，水蒸气在固体表面遇冷初期凝结为尺寸极小的水滴，通过水滴间的合并及与固壁的相互作用可获得垂直表面方向的速度，在粘附性较小的超疏水表面上合并后的液滴可跳离表面，从而避免表面被水覆盖。该过程中液滴表面能减小，其中一部分转化为动能，另一部分被流体粘性所耗散。多年来，针对超疏水表面液滴合并弹跳的理论模型大都基于能量分析，并根据一种简化分析得到该过程中的粘性能量耗散和Ohnesorge（Oh）数成正比（即线性形式，Oh数反映了粘性效应和毛细-惯性效应的相对重要性）。黄军杰等利用三维相场格子Boltzmann方法，通过数值模拟揭示了两个大小相同的自由液滴合并过程中的能量耗散近似和Oh数的0.3次方成正比，而非简化分析预测的和Oh数成正比，并且发现壁面的存在会使得固壁附近液滴合并过程中的能量耗散大于液滴自由合并。他们还发现，液滴在弹跳时的动能由平动动能和震荡动能两部分组成，其中平动动能占总动能的比随Oh数增加而增加，而非以往模型中采用的固定值。基于数值模拟结果，他们提出了一种新的不润湿（无粘附）表面附近液滴合并弹跳的模型，并且通过“两阶段分析”将其推广到有一定粘附的超疏水表面。和大量相关实验及数值模拟结果的比较显示，该新模型能更准确地预测微纳米尺度液滴合并弹跳的速度，其对发生弹跳的临界液滴尺寸的判断显著优于之前采用线性形式能量耗散的模型。该工作修正了现有的对液滴合并过程中能量耗散的认识，对于后续相关问题的理论模型研究有重要参考价值。

该工作得到国家自然科学基金（11202250，11972098）资助。黄军杰副教授为论文第一及通讯作者，中国科学技术大学黄海波教授及中国科学院重庆绿色智能技术研究院徐建军副研究员分别为第二及第三作者。Applied Physics Letters是美国物理联合会（American Institute of Physics）出版的应用物理领域权威期刊（JCR应用物理一区），2014年起被自然指数收录。 

论文链接：

https://doi.org/10.1063/1.5112176

液滴合并过程中的能量耗散随Oh数的变化。箭头所示为现有能量模型采用的基于简化分析得到的线性形式（不同文献中基于不同估计有72和3两个比例系数）。红色三角形为本文采用相场格子Boltzmann方法对液滴自由合并模拟得到的结果，绿色菱形来自Enright等（ACS Nano 8(10), 10352–10362 (2014)）采用另一种不同方法对液滴自由合并模拟的结果，蓝色圆形为本文对液滴在不润湿壁面附近合并弹跳模拟得到的结果。相应颜色线条为对各组数据分别拟合得到的结果。