恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发特性

以恒热流方式结合高速摄影技术同步观察记录3 μl的小液滴在不同亲疏水表面的蒸发过程。通过一系列的对比实验观察记录了不同亲疏水表面液滴蒸发时接触角、接触直径、蒸发时间等的动态特性。从实验分析中可以看出亲水表面液滴蒸发速率比疏水表面上液滴蒸发速率快,并且随着热通量的增大,液滴蒸发速率增大。在恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发以CCR模式为主,在蒸发后期呈现混合蒸发模式,全程未出现CCA模式。     

润湿性图案表面上的液滴侧向弹跳行为

表面润湿性不均匀会影响液滴撞击表面后的运动行为。通过液滴撞击润湿性图案表面,利用疏水表面上的亲水条纹可以实现液滴的侧向弹跳。实验过程中探究了不同的表面性质与撞击条件对液滴侧向弹跳运动行为的影响,为实现液滴定向弹跳提供了新的思路。实验结果表明,润湿性图案主要影响液滴撞击表面后的回缩过程,并且图案尺寸、液滴速度、液滴撞击位置均会对液滴撞击表面后的分裂以及侧向弹跳产生影响。通过实验获得了上述参数对液滴侧向弹跳的质量和距离的影响规律。     

撞击流内液滴碰撞后续发展行为

为了探索撞击流内液滴碰撞后续发展行为,设计搭建了由激光点光源和高速数码摄像机构成的高速数码摄像系统及气液两相撞击流实验平台。利用高速数码摄像系统记录下同轴对置气液两相撞击流中液滴碰撞导致的融合聚结或二次雾化过程,通过处理记录下的液滴运动过程图像,分析了进口液滴粒径、速度、黏度以及液滴碰撞角度等对撞击流中液滴碰撞结果的影响规律。结果表明：随着进口液滴粒径和速度的无限增大,液滴碰撞后最终发生炸裂;进口液滴黏度越小、表面张力越大、Ohnesorge数越小,液滴碰撞后越容易破碎;在本实验条件下,液滴同轴同向运动发生碰撞时,液滴碰撞后全部聚结,当液滴以一定角度发生斜碰时,碰撞后发生拉伸断裂,而当液滴同轴相向运动发生碰撞时,液滴碰撞后可能发生反射分离也可能炸裂。     

液滴撞击有机玻璃固壁的实验和数值研究

通过实验和数值模拟相结合的方法,探究了液滴撞击有机玻璃固壁的运动过程以及铺展和振荡规律。数值模拟提出了新的分段式动态接触角(SDCA)模型,模拟结果与实验结果吻合良好。研究结果表明,有机玻璃壁面受到液滴撞击时最大压力出现在气液固三相交界线上。     

超疏水表面上液滴撞击动力学的研究

利用高速摄像技术研究了超疏水表面上液滴撞击过程的动力学。根据能量守恒观点理论研究了撞击液滴的最大铺展直径的关系式,理论推导过程不仅考虑了撞击过程中的表面能的变化,同时考虑了微结构缝隙中流体的粘性耗散作用,最终的理论关系式与实验结果相吻合。     

超疏水表面液滴蒸发内部流体流动与传热分析

基于椭球模型,模拟了超疏水表面上固着纯水液滴的蒸发过程,探究了蒸发过程中液滴外形、体积、接触角、表面温度和蒸发速率的变化,以及液滴内部温度和流线的分布情况。结果表明:液滴蒸发过程中,液滴顶部局部表面温度最大,接触线处最小,且随蒸发的进行表面温度逐渐减小。液滴体积演变行为区别于亲水表面,这表明基板特性影响了液滴蒸发机理。液滴蒸发初始时刻,全局蒸发速率最大,随蒸发的进行,全局蒸发速率逐渐减小。液滴表面温度分布不均匀使得液滴表面产生了张力梯度,张力梯度引起了液滴内部流体流动;近气液界面处流体由液滴顶部向下流动,液滴内部流体由下向上流动,形成了Marangoni流。流体流动伴随着热量的传递,导致接触线附近温度较低,液滴内部中心处温度较高。     

表面活性剂溶液中单液滴的非稳态运动

A numerical investigation of the unsteady motion of a deformed drop released freely in another quiescent liquid contaminated by surfactant is presented in this paper. The finite difference method was used to solve numerically the coupled time-dependent Navier-Stokes and convective-diffusion equations in a body-fitted orthogonal coordinate system. Numerical simulation was conducted on the experimental cases, in which MIBK drops with the size ranging from 1.24 mm to 1.97 mm rose and accelerated freely in pure water and in dilute sodium dodecyl sulphate (SDS) aqueous solution. The applicability of the numerical scheme was validated by the agreement between the simulation results and the experimental data. Both the numerical and experimental results showed that the velocitytime profile exhibited a maximum rising velocity for drops in SDS solutions, which was close to the terminal velocity in pure water, before it dropped down to a steady-state value. The effect of the sorption kinetics of surfactant on the accelerating motion was also evaluated. It is also suggested that introduction of virtual mass force into the formulation improved obviously the precision of numerical simulation of transient drop motion.     

液滴流微反应器的基础研究及其应用

综述了近些年来快速发展的液滴微流控技术, 回顾了微流控系统中液滴的基本行为, 如液滴的生成、运动、聚并和分裂等研究进展, 重点探讨微液滴作为反应器其内部的流动、传质和反应过程, 以及液滴流微反应器已有的和潜在的重要应用价值。通过精确调控液滴在微尺度上的行为(产生、聚并与分裂、内部的混合与反应等), 使单个液滴成为新型受限空间内的微型间歇反应器, 而微通道内的液滴流进而形成了若干间歇反应器构成的连续流反应器新型式。除了微流控技术普遍具有的微小尺寸效应带来传质传热强化、易于放大等优势外, 液滴流微反应器还具有诸如避免试剂交叉污染、液滴内部可控混合、易于独立调控、便于高通量筛选或者制备等独特特点, 使得其在功能材料制备、化学合成以及生物化工方面有着广泛的应用。     

液滴撞击高温梯度表面的动态行为特性

以铜片为基底制备了微方孔结构浸润梯度表面,利用高速摄像技术对液滴撞击高温梯度表面的动态行为特性进行了研究。结果表明：在不同表面温度和韦伯数（We）下,液滴撞击在梯度表面上会出现5种不同的撞击模式,即润湿模式、接触沸腾模式、过渡模式、碎裂模式和反弹模式;当表面温度达到Leidenfrost温度时,液滴进入反弹模式,反弹液滴会沿着梯度能方向发生多次连续弹跳行为,且由于弹跳过程中能量的不断衰减,反弹高度逐渐减小直至趋于零。基于表面物理化学理论分析了液滴的定向弹跳行为,并利用图像处理技术,分析了弹跳液滴的动态特征。进一步地,通过液滴以相同We数撞击不同表面温度实验,研究了液滴在弹跳运动过程中反弹高度、铺展因子和运动的水平加速度变化特征,发现三者随反弹次数的增加具有相似的变化过程,即呈现先快速减小、后逐渐稳定的特征。水平加速度的与铺展因子的变化趋势具有一致性,从而验证了理论分析的合理性。     

随机粗糙表面上剪切变稀流体液滴的沉积过程模拟

采用计算流体力学相场方法模拟了单个剪切变稀非牛顿流体液滴在随机粗糙表面的沉积过程,并分析揭示了随机粗糙表面形貌对液滴运动状态及平衡状态的影响。结果表明,在指定的相同操作条件下,即使在光滑表面,剪切变稀流体液滴比牛顿流体液滴铺展更大且回缩至平衡所需时间更少,不存在二次铺展;剪切变稀流体液滴最大铺展直径随均方根粗糙度Rr与Wenzel粗糙度Wr的增加而略有增加。Wr相同时,随着Rr增大,液滴最终铺展系数减小,高度系数增大,平衡接触面积及接触角有所减小。在Rr相同情况下,随着Wr增大,液滴达到平衡所需时间缩短,平衡接触面积线性增大。     

不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟

对冷水滴撞击不同表面时的动力学行为和相变过程进行了模拟。通过耦合VOF和Level-set方法追踪气液自由界面,结合焓-孔隙度相变模型,模拟水滴撞击冷表面的动力学行为及相变特征。选取亲水（接触角30°）、疏水（接触角114°）和超疏水（接触角163°）3种典型浸润性的表面,计算了多种壁温条件下的水滴撞击结冰过程。结果表明提高表面疏水性,将减小水滴与冷表面的接触时间和接触面积,降低水滴内的相变速率,延缓水滴结冰的时间。在表面温度高于-15℃时,超疏水表面可以避免冷水滴的冻结黏附,保持表面洁净。将模拟得到的最大铺展直径、回缩速率以及冻结情况,与已有实验结果进行对比验证,表明了模拟方法的有效性和准确性。     

Investigation on the hysteretic force of droplet on hydrophilic and hydrophobic surface

表面上液滴欲移动时所表现出的滞后现象尚未在理论上得到完全解决,其中液滴所受到的滞后阻力的分析和计算是定量描述此滞后现象的关键问题之一。本文应用高速摄像,实验研究了亲/疏水表面上液滴的滞后阻力,并依据相应的实验数据对滞后阻力进行了分析和验证。结果表明：液滴在亲水和疏水表面上运动时所受到的滞后阻力分别与铺展功和黏附功相对应。滞后阻力反映了液滴在亲/疏水表面上出现滞后现象的本质,同时对于进一步研究接触角滞后提供了理论基础。     

疏水性聚酯薄膜的制备及表面形貌分析

利用NaOH溶液化学刻蚀聚酯薄膜成功制得疏水性薄膜.研究了聚酯在碱性溶液中发生水解反应时外界条件对刻蚀结果的影响规律,分析了外界化学条件引起表面微观物理形貌的变化及其所对应的表面特性.结果表明,薄膜经pH为12的碱液在40℃下超声刻蚀5 min左右,并用无水乙醇浸泡,可达到与水接触角120°以上的疏水效果.     

Experimental characterization of contact angle and surface energy on aramid fibers

In this paper, both contact angles and surface energy of aramid fibers are investigated using the liquid droplet method. First, the contact angles between matrix resin and aramid fibers are measured at different degrees of cure, which indicate that the contact angles increased initially and then decreased after the consolidation. Second, surface energy components of aramid fibers are determined from the contact angle using the geometric-mean equations. Finally, the influences of various surface treatments on the surface energy of aramid fibers are analyzed. These results play an important role for designing and evaluating the fiber/matrix interfacial strength of aramid fiber-reinforced composites.     

不同相对湿度下亲疏水纳米纤维膜空气过滤性能实验研究

利用静电纺丝法制备了表面静态接触角为23.6°的具有亲水功能的PAN/PVP复合纳米纤维膜、接触角为81.2°的PAN纳米纤维膜、接触角为131.9°的具有疏水功能的PAN/PVDF复合纳米纤维膜。利用自行搭建的空气过滤实验台,在40%、55%、70%三种相对湿度下对三种纳米纤维膜进行空气过滤实验,对纳米纤维膜的过滤效率、阻力损失及品质因子进行分析。结果表明：三种纳米纤维膜的过滤效率随着相对湿度的增大而升高,PAN/PVP膜和PAN膜的阻力损失随着相对湿度的增大而增加,PAN/PVDF的阻力损失随着相对湿度的增大而减小;PAN/PVP膜和PAN膜的品质因子随着相对湿度的增大而减小,PAN/PVDF膜的品质因子随着相对湿度的增大而增大,湿度越大,PAN/PVDF纳米纤维膜的过滤性能越显著。     

疏水疏冰涂层的研究进展

介绍了描述液滴润湿性的Young、Wenzel和Cassie模型,概述了静、动态疏水性与疏冰之间的关系,综述了疏水疏冰涂层的制备方法,以及冰粘接强度的主要影响因素和测量方法,指出了疏水疏冰涂层将来的研究方向.     

Effect of process parameters on droplet spreading behaviour over porous surface

Droplet spreading behaviour over a porous surface is a complex phenomenon, and is a basic component of many industrial processes, for example the spray coating process. The coating process has wide applications and this includes coating of urea fertilizer to produce slow release urea. The quality of coating film in such applications is affected by many factors, one of them being droplet spreading on the substrate. Droplet spreading behaviour is affected by process parameters such as viscosity, density, surface tension, impact velocity, porosity, etc. Droplet spreading on a porous surface involves penetration into the porous surface and spreading on the surface. Previously, the effect of individual process parameters has been studied. The current work aims at finding the interactive effect of process parameters on droplet spreading behaviour by using response surface methodology. The combined effect of liquid viscosity, impact velocity, and surface porosity has been studied on contact angle, spreading factor, and residual drop volume. The results show that minimum contact angle can be achieved with maximum impact velocity, minimum porosity, and minimal liquid viscosity. Similar behaviour was observed with droplet residual volume. Maximum spreading factor was attained at minimum viscosity and porosity while impact velocity was at maximum level.