斜锥表面液滴的定向流动特性

目的 研究液滴在斜锥表面的定向流动特性，揭示液滴在斜锥表面的定向输运机理。方法 以斜锥表面液滴运动行为为研究对象，通过数值模拟技术提取液滴动力学参数，探讨不同斜锥结构参数对液滴自输运行为的影响。结果 液体内部速度的不均匀分布导致液滴内部产生速度涡旋，在泰勒毛细升力的作用下，斜锥间隙产生了涡量较大的速度主涡旋，液滴内部产生了涡量较小的速度次涡旋。在液滴定向输运过程中，2种涡旋的旋转方向与液滴的输运方向保持一致。液滴自输运过程伴随着表面能、动能的相互转化。在铺展收缩阶段，液滴的形变量较大，固–液接触面积和液滴的表面能先增大再减小，液滴运动速度却先减小再增大。在稳定输运阶段，液滴的表面能和速度基本保持不变。泰勒毛细升力和斜锥间隙中的不平衡毛细力驱使液体不断填充斜锥间隙。液滴在斜锥表面受到不平衡的钉扎阻力，使得液滴左侧更易脱钉，保证整个液滴向右无损输运。结论 可为揭示液滴在斜锥表面的流动特性和自输运机理提供理论支持，指导研制以斜锥结构为仿生原型的机械功能表面。     

复合梯度楔形表面上液滴自输运特性的数值研究

目的 提高表面液滴的自输运速率。方法 在表面引入润湿梯度和楔形形状,基于VOF模型(流体体积模型)对表面液滴运动进行数值研究,并建立一种适用于润湿梯度和楔形图案联合的模型,分析润湿梯度和楔形角度对液滴位移的影响。结果 润湿梯度越大,液滴受不平衡的表面张力越大,液滴移动速度越快。润湿梯度为15 (°)/mm表面上液滴的平均速度比10、5 (°)/mm润湿梯度的表面分别快42.3%和130%。楔角越大,加速阶段的液滴移动速度越快,但会越早失去驱动力而停止移动,而楔角越小,液滴移动位移越大。液滴在40°楔角表面最先停止运动,在20°楔角表面位移比30°和40°楔角表面分别远10.3%和32.3%。联合润湿梯度和楔形图案后,15 (°)/mm表面上的液滴在20°、30°、40°和20°楔角表面上的液滴在15、10 (°)/mm下均能运动到计算模型出口,且15 (°)/mm、40°楔角表面液滴的平均速度达到292 mm/s,比单一梯度表面增长37.7%,比单一楔形图案表面(20°)增长175.5%。结论 通过调节润湿梯度和楔形角度,可有效控制液滴移动速度。联合润湿梯度和楔形图案的复合梯度楔形表面能同时减小润湿性范围瓶颈和楔形形状制约,提高表面液滴的移动速度和距离。研究结果将有助于设计高效的液滴输运功能表面,并可将其扩展到冷凝装置、微流体装置和药物检测等领域。     

仿生沟槽锥形结构多种环境下油滴的自运输研究

目的 虽然传统锥形结构可以实现水下油滴的定向运动,但在复杂环境中连续自适应的油滴自运输仍然是一个挑战。为此研发一种新型沟槽锥形结构表面,以实现多种环境下高效的油滴自运输。方法 受到水稻叶各向异性沟槽结构和仙人掌刺不对称锥形结构的启发,采用飞秒激光直写扫描系统在聚四氟乙烯上下表面加工沟槽锥形结构。借助接触角测试平台表征结构表面的润湿性,并通过扫描电子显微镜对表面微沟槽形貌进行分析。使用高速相机记录结构在水环境、水–空气界面和空气中的油滴运输过程,并以此为基础分析研究结构在多种环境下的油滴自运输能力。结果 沟槽锥形结构实现了在水下、空气中及水–空气界面多种环境下油滴的连续自运输,并且展示出优于传统锥形结构的高效水下油滴自运输能力,收集速率达到112.17 mm/s。结论 利用沟槽锥形结构良好的结构扩展性、无须消耗能源或外力驱动的操作模式和优异的油滴自运输能力,制备了水下自驱动集油装置,展示了该结构的潜在应用。