液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制

2017-11-22 01:12:37刘森云沈一洲朱春玲陶杰谢磊
航空学报 2017年2期
关键词:液滴试样能量

刘森云, 沈一洲,, 朱春玲,*, 陶杰, 谢磊

1.南京航空航天大学 航空宇航学院, 南京 210016 2.南京航空航天大学 材料科学与技术学院, 南京 210016 3.中航工业飞机股份有限公司研发中心 环控救生所, 汉中 723213

液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制

刘森云1, 沈一洲1,2, 朱春玲1,*, 陶杰2, 谢磊3

1.南京航空航天大学 航空宇航学院, 南京 210016 2.南京航空航天大学 材料科学与技术学院, 南京 210016 3.中航工业飞机股份有限公司研发中心 环控救生所, 汉中 723213

针对飞机表面易结冰部位设计超疏水表面,可以大幅度减轻对高能耗防/除冰技术的依赖程度,进而提高飞机的燃油经济性。主要通过实验研究与数值模拟的手段,分析讨论了液滴撞击分级粗糙结构超疏水表面过程中的能量耗散机制。以Ti6Al4V为基体经过喷砂处理形成微米级粗糙结构,然后在1 mol/L的低浓度NaOH溶液中水热生长一层一维纳米线,构建出微/纳米复合粗糙结构并氟化修饰获得超疏水表面。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)观察了微观形貌的变化规律,利用动态视频接触角测量仪表征试样表面液滴表观接触角与接触角滞后。基于气液两相流动界面追踪的复合Level set-VOF方法,实现了液滴撞击超疏水表面过程的数值模拟。采用高速摄像技术记录了撞击液滴在超疏水表面的运动过程,实验验证了模拟方法与铺展计算模型的正确性,并详细讨论了液滴运动过程中的能量耗散问题,分析表明液滴撞击过程中的能量耗散主要取决于超疏水表面的动态润湿特性和润湿界面模型。

超疏水表面; 撞击液滴; 数值模拟; 能量耗散; 润湿界面模型

润湿性是固体表面非常重要的性质之一,日常生活中极其容易被观察到,如荷叶上滚动的水珠、河面上急速行走的水黾、蚊子的防雾眼睛等[1-3]。正是这些常见的自然现象给予了人们巨大的灵感,通过表面化学组成与表面微观结构的协同作用,设计出特殊非润湿性的功能表面,即超疏水表面(接触角大于150°,滚动角小于10°)。基于这样的仿生构建思路,科研工作者不断地致力于制备并应用这样的非润湿性表面[4]。由于其具有巨大的应用潜力,例如防水、自清洁、流体减阻、防结冰及防腐蚀等,超疏水表面的开发与应用将极大地改善和促进能源的进一步可持续发展。

考虑到超疏水表面潜在的实际应用多是处于动态条件下,即液滴持续地撞击固体表面,大量的小韦伯数(We<10)撞击液滴将首先铺展到最大直径,然后收缩到一定程度并最终弹离表面[5-6]。撞击液滴与固体表面的接触过程被认为是极为重要的,其直接决定了在实际应用条件下固-液之间热量与能量的转化程度[7],尤其是在固体表面防结冰研究领域。撞击液滴在超疏水表面的运动过程中,其能量耗散与固-液接触时间是评价固体表面防冰性能极为重要的两个因素。因此,当前甚至将来一段时间的相关研究,不应该仅聚焦在超疏水表面的高表观接触角和低接触角滞后的研究上,降低撞击液滴的固-液接触时间以及了解液滴运动过程的能量耗散问题也是相当重要的课题,研究表明,撞击液滴在超疏水表面运动过程中克服黏滞阻力做功又直接影响着固-液接触时间。

目前,一些研究者针对液滴在固体表面的撞击过程做分析研究,Liu等[8-9]研究发现,相同微米级尺度条件下,圆锥状微米结构显著地增强了撞击液滴“圆饼”状反弹的能力,显示出较小的撞击液滴的固-液接触时间以及较低的能量耗散值,同时给出了发生此现象(“圆饼”状反弹)的临界流体条件。Aussillous和Quéré强调固体表面的润湿滞后是阻止固体表面液滴运动的关键因素,也是导致运动液滴能量耗散损失的直接原因,最终引起撞击液滴在固体表面沉积,不能反弹[10]。因此,他们利用疏水的颗粒粉末包裹液体形成一个特殊的球形液滴,来降低液体在固体表面运动的黏滞阻力,最终降低撞击液滴在固体表面的接触时间以及能量耗散值。此外,大部分研究者也致力于通过构建极其疏水的固体表面,期望在提高表观接触角的同时,能够进一步降低液滴的接触角滞后,以降低撞击液滴在固体表面运动的黏滞阻力,降低撞击液滴的固-液接触时间以及防冰领域中的热量与能量交换效率,提高超疏水表面的实际应用潜能[11-12]。然而,基于表观接触角与接触角滞后的分析研究,超疏水表面的实际应用能力仍然不能够被完全彻底的表征、评价,初步的撞击液滴的固-液接触时间研究也几乎停留在基本性能测试上,目前仍然不能彻底理解关于润湿滞后与撞击液滴的固-液接触时间之间的潜在关系机制,而且对撞击液滴在超疏水固体表面运动过程中的能量耗散问题始终不能给出详细的定量计算过程。

为此,本文将依据表面微观结构与化学组成

的协调作用,设计、制备出超疏水性的固体表面,重点分析讨论撞击液滴在超疏水固体表面的运动过程,并基于此,定量地分析撞击液滴在固体表面运动过程中的能量耗散问题,以及液滴在固体表面的运动特性,期望能够进一步推动超疏水表面的实际应用能力,尤其是在固体表面防结冰应用领域。

1 实 验

1.1 材 料

实验选用的基体材料为宝鸡钛业股份有限公司生产的Ti6Al4V钛合金板材(10 mm×10 mm×2 mm);低表面自由能修饰剂为1H, 1H, 2H, 2H-十七氟癸基三甲氧基硅烷(FAS-17),由日本东京化学制品有限公司生产;其他实验过程中使用的化学试剂主要有氢氧化钠、盐酸、乙醇、丙酮等,属于分析纯级,购置于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 超疏水表面的制备工艺过程

依据微观结构与表面化学组成对表面超疏水性的协调作用,超疏水表面的制备工艺流程主要包含微纳米二级结构的构建及表面低能化修饰过程,流程图如图1所示。

试样前处理:首先分别用0~6#金相砂纸对Ti6Al4V基体表面进行抛光处理,然后依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10 min,烘干备用。

喷砂处理:利用氧化铝颗粒(150目)在0.5 MPa压强下对已抛光试样进行喷砂处理10 s。随后再依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10 min,烘干备用。

水热处理:将喷砂完的试样放入盛有30 mL1 mol/L NaOH溶液的反应釜中,在220 ℃烘箱中反应8 h,待反应釜空冷至室温,取出试样并于1 mol/L的稀HCl溶液中浸泡30 min,用去离子水洗净试样表面。最后将试样放入马弗炉中(升温速率为2 ℃/min)在500 ℃条件下保温3 h,随后炉冷至室温。

图1 超疏水表面制备工艺流程
Fig.1 Fabrication process of superhydrophobic surfaces

氟化修饰处理:将水热处理完的试样浸泡于1 wt% FAS-17乙醇溶液中,浸渍24 h,随后在120 ℃烘箱中干燥2 h,获得最终超疏水试样。

1.3 表面形貌和润湿性能的表征及液滴撞击过程观察

采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM, Hitachi S4800, Japan)观察试样表面的微观结构形貌,同时利用X射线光电子能谱分析仪(XPS, Kratos AXIS UltraDLD, Japan)分析表面微观结构的化学组成。采用光学接触角测量仪(Optical Contact Angle Meter) (JC2000D7M, Zhong Chen Ltd., Shanghai)对试样表面的静态和动态润湿性能进行分析,测量精度为±0.1°。所用液滴体积大小为4 μL,为了保证4 μL的液滴能够顺利挤出,选用内径仅有0.03 mm的超细针头,同时对其进行疏水化处理。采用圆形拟合法计算出光学图片中液滴的表观接触角(Apparent Contact Angle, APCA),在试样表面形成球形液滴后,继续以很低的速度往液滴中加入液体,使其体积不断增大。开始时,液滴与固体表面的接触面积并不发生变化,但接触角渐渐增大。当液滴的体积增大到某一临界值时,液滴在固体表面的三相接触线向外移动,移动前瞬间的接触角被称为前进接触角(Advancing Contact Angle,ACA)。反之,获得后退接触角(Receding Contact Angle,RCA)。前进接触角与后退接触角的差值称为接触角滞后(Contact Angle Hysteresis,CAH),接触角滞后是反映液体在固体表面运动特性的重要参数之一。此外,由于本实验中制备的超疏水试样表面具有较高的接触角,为保证数据的准确性,测试结果取5次测量数据的平均值。

利用高速摄像机(High-Speed Camera, Photron Mini 100)记录液滴撞击超疏水试样表面的动态接触过程,控制液滴撞击速度为1 m/s,并分析液滴在试样表面的流体动力学黏滞行为及液滴撞击试样表面的反弹接触时间,摄像机记录帧数为10 000帧/s,具体如图2所示。

图2 拍摄液滴撞击超疏水表面过程的装置示意图
Fig.2 Schematic diagram of capturing process of droplet impacting superhydrophobic surfaces

2 数值模拟

2.1 VOF耦合Level-set方法

采用VOF两相流模型并耦合Level-set函数,通过求解气液两相的体积分数,进行气液相界面追踪[13]。撞击液滴作为次相,其体积分数的连续性方程为

(1)

式中:ρs为次相流体密度;αs为次相流体体积分数;vs为速度向量。

根据所有相体积分数总和为1的约束,主相空气的体积分数可表示为

αp=1-αs

(2)

Level-set函数φ(x,t)具有较好的光滑性和连续性,其具体表达式为

(3)

气液界面处的外法向量从液体指向气体,可表示为

(4)

界面的曲率可表示为

(5)

为了保证任意时刻Level-set函数的零等值面就是自由界面,需要满足守恒方程:

(6)

2.2 表面张力与壁面浸润模型

通过对动量方程添加源项的方法,引入表面张力与壁面浸润模型,实现水滴撞击过程的两相流模拟。添加源项后的动量方程为

(7)

式中:μ为动力黏度;F为由表面张力σ产生的动量源项,基于CSF(Continuum Surface Force)模型计算[14],有

(8)

壁面浸润模型主要是通过接触角θwall修正壁面附近的界面法向向量:

n=nwallcosθwall+twallsinθwall

(9)

式中:nwall为壁面的单位法向向量;twall为壁面的单位切向向量。

2.3 计算模型

利用商业软件FLUENT进行数值模拟,计算域为二维正方形,边长为15 mm,网格数量为100万。计算采用基于气液两相流动界面追踪的复合Level set-VOF模型,壁面采用无滑移边界条件,润湿浸润模型接触角为161°,其他边界为压力出口条件,利用PISO(Pressure Implicit Split Operator)方法进行压力和速度的耦合,界面重构采用Geo-Reconstruct方法。

3 结果与讨论

3.1 超疏水表面形貌及化学成分

超疏水表面的制备主要取决于固体表面微观结构与表面化学成分[15-16]。首先利用传统喷砂工艺构建初级微米级凹凸结构,高速的硬质氧化铝颗粒不断地撞击钛合金表面,对钛合金表面产生冲蚀作用,导致在钛合金表面形成凹凸不平的微米级丘陵状粗糙结构,如图3(a)所示。随后,利用水热处理技术在喷砂形成的微米级凹凸结构基础上,原位生长一层纳米线结构(见图3(b)~图3(d)),实现超疏水表面Cassie-Baxter润湿模型所需的微纳米二级复合结构。由图3(c)和图3(d)可知,引入纳米线结构显著地增加了试样的比表面积,有利于增加与含氟低表面自由能基团的接枝面积。

图3 试样超疏水表面微观结构形貌
Fig.3 Morphologies of sample superhydrophobic surfaces

由于FAS-17表面自由能很小,常被用来修饰粗糙结构使固体表面疏水化。在乙醇溶液中,FAS-17分子首先发生水解反应,Si—OR基转变成Si—OH基,然后与固体表面TiO2发生缩水反应形成共价键链接,且FAS-17分子之间也会发生缩水反应形成共价键链接。因此,能够有效地改变微纳米二级复合结构表面的化学组成,获得低表面能结构表面。图4为试样氟化修饰处理前后的XPS图谱。发现修饰处理后的试样表面明显出现了F1s及FKLL特征峰,而且在高分辨图谱中也观察到了—CF2及—CF3对应的特征峰。因此,可确认经过氟化修饰后,微纳米二级复合结构表面的化学成分已经发生改变,处于低表面自由能状态,获得超疏水性能。

图4 微纳米复合结构表面氟化修饰处理前后XPS图谱
Fig.4 XPS spectrum of micro-nanostructures surfacebefore and after being modified with FAS-17

3.2 超疏水表面润湿性能

图5为4 μL微小液滴获得的超疏水试样表面的光学照片,可以清晰地观察到液滴几乎呈现出完整的球形,表明试样表面具有较高的超疏水性能。在微米级凹凸结构表面水热生长一层具有较大长径比的TiO2纳米线,形成理想的微纳米二级复合结构表面,此时,表面液滴的润湿模型完全处于稳定的Cassie-Baxter润湿模型。在微纳米二级复合结构的协同作用下,大量的空气被捕获在液滴下方,导致液滴几乎悬停在固体试样表面[17-18]。试样表面的液滴表观接触角θ*符合Cassie-Baxter润湿方程:

cosθ*=f1cosθ+f1-1

(10)

式中:θ为光滑基体氟化修饰后的本征接触角;f1为表观复合接触界面上固-液接触面积的比值分数。

因此,在二级复合结构的超疏水表面其液滴表观接触角主要取决于表观复合接触界面上固-液接触面积的比值分数f1,当水热反应8 h时,在微米级凹凸结构表面生长了一层有序的纳米线结构,且尺寸相对较大,在微米级凹凸结构协同作用下捕获了大量的空气,极大地降低了表观复合接触界面上固-液接触面积的比值分数f1(≈10%),引起较高的表观接触角,达到161.4°。而且由于制备纳米线结构处于完全开放的状态,其表面捕获的空气易于流动,使表面液滴具有极低的黏滞性,接触角滞后低至1.56°,见表1(由于试样表面动态接触角较大,约为160°,导致接触角滞后测量结果存在一定的差异)。

图5 微小液滴在超疏水试样表面的光学照片
Fig.5 Optical picture of a microdroplet onsuperhydrophobic sample surface

Table1Testresultsofwettingparametersofsuperhydrophobicsamplesurface

Test12345AveragevalueAPCA/(°)160.2160.4161.3162.3162.7161.4ACA/(°)161.2162.9160.5161.8163.4162.0RCA/(°)159.6159.7160.3161.0161.4160.4CAH/(°)1.63.20.20.82.01.56

3.3 液滴撞击超疏水表面接触过程的能量耗散机制

3.3.1 撞击液滴在超疏水表面的运动过程

考虑到超疏水表面的实际应用领域尤其是防冰领域,液滴与固体表面的接触过程是一种动态过程,而撞击液滴在超疏水表面运动过程中的黏滞耗散能直接影响撞击液滴在超疏水表面运动的力学行为,进而影响撞击液滴的固-液接触时间和液滴与固体表面之间的热量与能量的交换情况。因而,通过观察与计算撞击液滴在超疏水表面运动过程中的黏滞耗散能,对研究降低撞击液滴的固-液接触时间以及防冰领域中的热量与能量交换效率具有重要的意义[19-20]。

图6为液滴以1 m/s的撞击速度在超疏水表面的接触反弹运动过程,从图中可以清晰地看出液滴主要经历铺展和收缩两个过程,液滴大约在2.9 ms时,铺展到最大直径,由于液滴内部流体动力学的分布,液滴边缘位置厚度较大,中心部位水膜厚度较小,在经过大约1.5 ms的液滴内部均匀化时间后,液滴厚度逐渐趋于一致,继而开始发生收缩过程直至11.1 ms左右,液滴反弹离开试样表面。

图7为2 mm直径的水滴,以1 m/s的撞击速度在超疏水表面接触反弹的运动数值模拟结果,可以发现液滴的数值模拟运动过程几乎与实验观察到的过程一致,进一步验证了数值模型建立与撞击液滴铺展、收缩过程计算的正确性。

图6 撞击液滴在超疏水表面运动过程
Fig.6 Moving process of impact droplet on
surperhydrophobic surface

图7 撞击液滴在超疏水表面运动的数值模拟过程
Fig.7 Simulation of moving process of impact droplet on surperhydrophobic surface

3.3.2 撞击液滴直径变化规律

撞击液滴在超疏水表面进行铺展和收缩运动的过程中,其液滴与固体表面接触圆直径D与液滴初始直径D0的比值变换关系如图8所示。从图中可以看出,利用数值模拟手段获得曲线与实验测出来的曲线吻合很好,进一步验证了用基于气液两相流动界面追踪的复合Level set-VOF方法来计算撞击液滴在超疏水表面运动过程的正确性。在2.9 ms左右撞击液滴铺展到最大直径,在随后的1.5 ms时间内,液滴进行内部质量均匀化运动,其接触圆直径呈现出微小的变化。随后开始迅速发生收缩过程,液滴直径迅速减小,直至反弹离开试样表面,在7.0~11.0 ms之间,液滴收缩反弹速度减小,因而使得液滴与固体表面的接触圆直径减小的速率变慢。

图8 撞击液滴在超疏水表面运动过程中直径变化规律
Fig.8 Variation of diameter of impact droplet onsuperhydrophobic surface

3.3.3 撞击液滴运动过程中的能量耗散

通过观察分析低韦伯数(We<10)下微小液滴撞击超疏水表面的运动过程,发现撞击液滴主要经过铺展和收缩两个过程,在铺展过程中,初始动能为E1的液滴向外铺展,液滴分子在一定速度的作用下背离水滴中心向外运动,克服液滴内部分子间引力做功,使得液滴表面积增加,表面能增大。此外,液滴在超疏水表面铺展运动的同时,仍然要克服固体表面的黏性做功W1,而且该部分能量耗散对液滴的运动特性起主导作用。相反在收缩过程,增加的表面能绝大部分仍然要转化成动能迫使液滴反弹离开超疏水固体表面,而且液滴也仍然要克服超疏水固体表面做功W2,因此能够定量地计算、分析撞击液滴在超疏水固体表面铺展和收缩运动过程中的能量耗散情况,对研究降低撞击液滴在超疏水表面的固-液接触时间以及了解撞击液滴的运动特性具有一定的实际意义[21-22]。

作为最直接反映液滴在固体表面运动情况的重要参数,接触角滞后在分析撞击液滴运动过程中的能量耗散情况时具有重要的作用,且接触角滞后Δθ是前进接触角θA和后退接触角θR的差值。图9为固体表面液滴动态接触角示意图。根据动态接触角的定义[23],有

(11)

(12)

式中:σsg、σsl和σlg分别为固-气、固-液和液-气的两相界面张力;fA和fR为单位长度的三相接触线的滞后阻力。

然而,撞击液滴在铺展运动过程中以前进接触角θA向外铺展运动,在收缩过程中液滴以后退接触角θR向中心收缩并弹离固体表面,如图10所示。因此,撞击液滴在铺展和收缩过程中克服

图9 固体表面液滴动态接触角示意图
Fig.9 Schematic diagram of droplet dynamic contactangles on solid surface

图10 撞击液滴在超疏水固体表面运动示意图
Fig.10 Schematic diagram of moving of impact droplet on superhydrophobic solid surface

黏滞阻力做功则分别为

(13)

(14)

式中:Dmax为液滴均匀铺展的最大直径。

因此,撞击液滴在超疏水固体表面运动过程中总的克服黏滞阻力做功W为

(15)

而且,液滴最大均匀铺展直径Dmax与液滴初始直径D0之间存在以下关系[24]:

(16)

则式(15)可转化为

(17)

将本实验中超疏水初始动态润湿参数代入式(17),即可获得撞击液滴在该超疏水表面运动过程中的能量耗散值(9.76 ×10-9N·m)。

根据上述计算过程分析,超疏水固体表面的动态润湿参数(接触角滞后)直接决定了撞击液滴在固体表面运动过程中克服黏滞阻力做功,进而影响着撞击液滴在超疏水固体表面的固-液接触时间。因此,本节定量地给出了撞击液滴在超疏水表面运动过程中的能量耗散值,对超疏水表面在防冰领域中的理论与应用研究,尤其是在探索降低撞击液滴的固-液接触时间方面,具有重要的推动作用。

4 结 论

1) 基于微观结构与表面化学组成对表面超疏水性的协调作用,利用喷砂、水热相结合的方法在Ti6Al4V表面成功构建的微/纳米复合结构具有优异的尺寸协同效应,氟化修饰后,可捕获大量的空气使液滴以一种复合接触形式存在于固体表面,显示出较高的超疏水性能,液滴表观接触角达到了161.4°,且液滴下方的空气呈流动状态,使液滴具有极低的黏滞性,接触角滞后仅有1.56°。

2) 通过实验研究与数值模拟的手段,观察研究了撞击液滴在超疏水表面的运动过程,液滴主要经历铺展和收缩两个过程,且整个接触过程仅持续了11.1 ms,显示出超疏水表面具有较低的液滴运动黏滞阻力和较高的动态斥水能力。

3) 作为最直接反映液滴在固体表面运动情况的重要参数,接触角滞后在分析撞击液滴运动过程中的能量耗散情况时具有重要的作用,依据固体表面液滴接触角滞后的定义,定量地计算分析了撞击液滴在超疏水表面运动过程中的黏附耗散能。

[1] STYLE R W, DUFRESNE E R. Static wetting on deformable substrates, from liquids to soft solids[J]. Soft Matter, 2012, 8(27): 7177-7184.

[2] WATSON G S, GELLENDER M, WATSON J A. Self-propulsion of dew drops on lotus leaves: a potential mechanism for self cleaning[J]. Biofouling, 2014, 30(4): 427-434.

[3] LIU K, YAO X, JIANG L. Recent developments in bio-inspired special wettability[J]. Chemical Society Reviews, 2010, 39(8): 3240-3255.

[4] YAN Y Y, GAO N, BARTHLOTT W. Mimicking natural superhydrophobic surfaces and grasping the wetting process: A review on recent progress in preparing superhydrophobic surfaces[J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2011, 169(2): 80-105.

[5] GUO Z, ZHOU F, HAO J, et al. Stable biomimetic super-hydrophobic engineering materials[J]. Journal of the American Chemical Society, 2005, 127(45): 15670-15671.

[6] TSAI P, PACHECO S, PIRAT C, et al. Drop impact upon micro-and nanostructured superhydrophobic surfaces[J]. Langmuir, 2009, 25(20): 12293-12298.

[7] TRAN T, STAAT H J J, SUSARREY-ARCE A, et al. Droplet impact on superheated micro-structured surfaces[J]. Soft Matter, 2013, 9(12): 3272-3282.

[8] LIU Y, WHYMAN G, BORMASHENKO E, et al. Controlling drop bouncing using surfaces with gradient features[J]. Applied Physics Letters, 2015, 107(5): 051604.

[9] LIU Y, MOEVIUS L, XU X, et al. Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces[J]. Nature Physics, 2014, 10(7): 515-519.

[10] AUSSILLOUS P, QUÉRÉ D. Liquid marbles[J]. Nature, 2001, 411(6840): 924-927.

[11] SHEN Y, TAO J, TAO H, et al. Superhydrophobic Ti6Al4V surfaces with regular array patterns for antiicing applications[J]. RSC Advances, 2015, 5(41): 32813-32818.

[12] HU C, LIU S, LI B, et al. Micro-/nanometer rough structure of a superhydrophobic biodegradable coating by electrospraying for initial anti-bioadhesion[J]. Advanced Healthcare Materials, 2013, 2(10): 1314-1321.

[13] BLAKE J, THOMPSON D, RAPS D, et al. Simulating the freezing of supercooled water droplets impacting a cooled substrate[J]. AIAA Journal, 2015, 53(7): 1725-1739.

[14] BRACKBILL J U, KOTHE D B, ZEMACH C. A continuum method for modeling surface tension[J]. Journal of Computational Physics, 1992, 100(2): 335-354.

[15] LIU M, ZHENG Y, ZHAI J, et al. Bioinspired super-antiwetting interfaces with special liquid-solid adhesion[J]. Accounts of Chemical Research, 2009, 43(3): 368-377.

[16] BORMASHENKO E, STAROV V. Impact of surface forces on wetting of hierarchical surfaces and contact angle hysteresis[J]. Colloid and Polymer Science, 2013, 291(2): 343-346.

[17] SPORI D M, DROBEK T, ZURCHER S, et al. Cassie-state wetting investigated by means of a hole-to-pillar density gradient[J]. Langmuir, 2010, 26(12): 9465-9473.

[18] FENG L, LI S, LI H, et al. Super-hydrophobic surface of aligned polyacrylonitrile nanofibers[J]. Angewandte Chemie, 2002, 114(7): 1269-1271.

[19] RIOBOO R, VOUE M, VAILLANT A, et al. Droplet impact on porous superhydrophobic polymer surface[J]. Langmuir, 2008, 24(24): 14074-14077.

[20] 宋云超, 宁智, 孙春华, 等. 液滴撞击壁面铺展运动的数值模拟[J]. 燃烧科学与技术, 2013, 19(6): 549-556.

SONG Y C, NING Z, SUN C H, et al. Numerical simulation of spreading of a droplet impacting on a wall[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2013, 19 (6): 549-556 (in Chinese).

[21] 胡海豹, 陈立斌, 黄苏和,等. 水滴撞击黄铜基超疏水表面的破碎行为研究[J]. 摩擦学学报, 2013, 33(5): 449-455.

HU H B, CHEN L B, HUANG S H, et al. Breakup phenomenon of droplets impacting on a superhydrophobic brass surface[J]. Tribology, 2013, 33(5): 449-455 (in Chinese).

[22] LEE D J, KIM HM, SONG Y S, et al. Water droplet bouncing and superhydrophobicity induced by multiscale hierarchical nanostructures[J]. ACS Nano, 2012, 6(9): 7656-7664.

[23] WANG X, PENG X, MIN J, et al. Hysteresis of contact angle at liquid-solid interface[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2001, 9(4): 343-353.

[24] PASANDIDEH-FARD M, QIAO Y M, CHANDRA S, et al. Capillary effects during droplet impact on a solid surface[J]. Physics of Fluids, 1996, 8(3): 650-659.

(责任编辑: 李明敏)

URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161028.0822.002.html

Energydissipationmechanismofdropletsimpactingsuperhydrophobicsurfaces

LIUSenyun1,SHENYizhou1,2,ZHUChunling1,*,TAOJie2,XIELei3

1.CollegeofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China2.CollegeofMaterialsScienceandTechnology,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China3.InstituteofEnvironmentControllingandLifeSaving,AVICAviationAircraftCo.Ltd.R&DCenter,Hanzhong723213,China

Designingsuperhydrophobicsurfacesontheicinglocationsofaircraftscangreatlyreducethedependenceonthetraditionalhighenergy-consumptionanti/de-icingtechnologies,soastoimprovethefuelefficiencyofaircrafts.Theaimofthepresentworkistoanalyzetheenergydissipationmechanismofdropletsimpactingonthehierarchicalsuperhydrophobicsurfacebasedonexperimentsandnumericalsimulations.Ti6Al4Vasthesubstrateissandblastedtoconstructthemicroscaleroughstructure,andthenisputinthe1mol/LNaOHsolutiontothermallygrowthalayerofnanowires,obtainingthesuperhydrophobicityafterthemodification.Themorphologiesareobservedbyfieldemissionscanningelectronmicroscope(FE-SEM),andthetwomainwettingparameters(apparentcontactangleandcontactanglehysteresis)onsuperhydrophobicityarecharacterizedviaadynamicvideocontactanglemeter.BasedonthepursuantcompositeLevelset-VOFnumericalmethodofgas-liquidphaseinterface,thecontactprocessofadropletimpactingsuperhydrophobicsurfacescanbereproducedwithanumericalcalculation.Experimentally,ahigh-speedcameraisalsousedtorecordthemovingprocessoftheimpactingdropletonthesuperhydrophobicsurfacetoverifythecorrectnessofthenumericalmodel.Discussionoftheenergydissipationduringthemovingprocessofthedropletdemonstratesthattheenergydissipationdependsmainlyonthedynamicwettingpropertiesofthesuperhydrophobicsurfaceandthewettinginterfacialmodel.

superhydrophobicsurfaces;impactdroplet;numericalsimulation;energydissipation;wettinginterfacialmodel

2016-08-26;Revised2016-09-26;Accepted2016-10-26;Publishedonline2016-10-280822

s:NationalBasicResearchProgramofChina(2015CB755800);NationalNaturalScienceFoundationofChina(11372335);NationalPostdoctoralProgramforInnovativeTalents(BX201600073);PriorityAcademicProgramDevelopment(PAPD)ofJiangsuHigherEducationInstitutions

.E-mailclzhu@nuaa.edu.cn

2016-08-26;退修日期2016-09-26;录用日期2016-10-26; < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2016-10-280822

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161028.0822.002.html

国家“973”计划 (2015CB755800); 国家自然科学基金 (11372335); 博士后创新人才支持计划 (BX201600073); 江苏高校优势学科建设工程

.E-mailclzhu@nuaa.edu.cn

刘森云, 沈一洲, 朱春玲, 等. 液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制J. 航空学报,2017,38(2):520710.LIUSY,SHENYZ,ZHUCL,etal.EnergydissipationmechanismofdropletsimpactingsuperhydrophobicsurfacesJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(2):520710.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0278

V250.1

A

1000-6893(2017)02-520710-09

猜你喜欢
液滴试样能量
试样加工余量对Q355B热轧钢带拉伸性能的影响
山东冶金(2022年3期)2022-07-19 03:25:22
THE EFFECT OF REFUGE AND PROPORTIONAL HARVESTING FOR A PREDATOR-PREY SYSTEM WITH REACTION-DIFFUSION∗†
液滴间相互碰撞融合与破碎的实验研究
喷淋液滴在空气环境下的运动特性
能量之源
Ce和Nd对多道次固相合成AZ31-RE镁合金腐蚀性能的影响
诗无邪传递正能量
中华诗词(2017年4期)2017-11-10 02:18:29
试样尺寸对超高周疲劳试验结果的影响
开年就要正能量
都市丽人(2015年2期)2015-03-20 13:32:31
凝聚办好家长学校的正能量
中国火炬(2014年2期)2014-07-24 14:17:02