单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测，对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性，同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明：与液滴撞击普通冷表面（温度-25~-5℃）发生瞬时冻结沉积相比，液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结，而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为；撞击速度越大，普通冷表面上液滴铺展因子越大，而且液滴越易冻结。液滴低速（We≤76）撞击超疏水冷表面会发生反弹现象，但速度对液滴最大铺展时间无影响；液滴高速（We≥115）撞击超疏水冷表面后会产生明显液指，而且破碎为多组卫星液滴。此外，冷表面温度仅影响液滴反弹高度，对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测,对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性,同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明:与液滴撞击普通冷表面(温度-25~-5℃)发生瞬时冻结沉积相比,液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结,而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为;撞击速度越大,普通冷表面上液滴铺展因子越大,而且液滴越易冻结。液滴低速(We≤76)撞击超疏水冷表面会发生反弹现象,但速度对液滴最大铺展时间无影响;液滴高速(We≥115)撞击超疏水冷表面后会产生明显液指,而且破碎为多组卫星液滴。此外,冷表面温度仅影响液滴反弹高度,对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

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。     

液滴冲击加热壁面沸腾现象特征分析

采用高速摄像仪对液滴冲击加热壁面过程进行实验观测,分析了不同实验流体的沸腾现象特征,探讨了中间射流及宝塔状气泡的形成机理。观测发现,壁温高于液体对应的Leidenfrost温度时水滴撞击后会出现暴沸现象,由于气泡夹带伴随强烈的核化作用,氯化钠溶液液滴撞击后可以观察到中间射流的产生,醇类液滴则发生完全反弹;壁温低于Leidenfrost温度时液滴在加热壁面会出现泡状沸腾现象,与半球形气泡不同,宝塔状气泡出现在液膜厚度较大的区域。此外定量考察了液滴在加热壁面完全反弹时的最大铺展因子,发现铺展因子仅受Weber数影响,与文献结果比较表明本研究得出的铺展因子经验公式可较好地预测液滴在加热壁面的铺展尺度。     

液滴撞击微结构疏水表面的动态特性

对去离子水滴撞击不同几何尺寸显微结构方柱和方孔状疏水表面的动态特性进行了研究。结果表明：当液滴以不同速度撞击微方柱疏水表面时,液滴展现铺展和回缩过程,且随着韦伯数（We数）增大,最大铺展直径增大,并伴随卫星液滴出现,但到达最大铺展直径的时间一致;而当液滴以相同的速度（We数相同）撞击间距不同的微方柱疏水表面时,液滴的最大铺展直径随着间距的增大而减小,且铺展过程会液滴浸润状态变得不稳定,发生由Cassie向Wenzel状态的浸润转变。当微方柱间距较小时,液滴受到的黏附功越小,越易发生向Cassie状态的转变;液滴撞击微方孔疏水表面时,液滴以规则的圆环状向外铺展和回缩,最后呈现近似规则的椭球状,不会发生向Wenzel状态的浸润转变,利用建立的物理模型对前述现象进行了分析。     

液滴冲击加热壁面沸腾现象特征分析

采用高速摄像仪对液滴冲击加热壁面过程进行实验观测,分析了不同实验流体的沸腾现象特征,探讨了中间射流及宝塔状气泡的形成机理。观测发现,壁温高于液体对应的Leidenfrost温度时水滴撞击后会出现暴沸现象,由于气泡夹带伴随强烈的核化作用,氯化钠溶液液滴撞击后可以观察到中间射流的产生,醇类液滴则发生完全反弹;壁温低于Leidenfrost温度时液滴在加热壁面会出现泡状沸腾现象,与半球形气泡不同,宝塔状气泡出现在液膜厚度较大的区域。此外定量考察了液滴在加热壁面完全反弹时的最大铺展因子,发现铺展因子仅受Weber数影响,与文献结果比较表明本研究得出的铺展因子经验公式可较好地预测液滴在加热壁面的铺展尺度。     

水滴与聚氧化乙烯液滴撞击荷叶表面的实验对比分析

为探究荷叶表面的液滴撞击行为规律,本文利用高速摄像机以14000帧/秒的帧率分别记录水滴和4种不同相对分子质量的聚氧化乙烯（polyethylene oxide,PEO）水溶液液滴竖直撞击荷叶表面的动力过程,其撞击速度为0.3~3m/s。实验结果表明,水滴与低相对分子质量（5×10⁴）的PEO液滴撞击荷叶表面的行为现象相似,两者随撞击速度增加依次有规则反弹、向上发射卫星液滴、不规则反弹（或部分反弹）、液滴破碎和液指断裂分离小液滴等现象发生,但水滴的接触时间更短,最大铺展系数也更小。中等相对分子质量（3×10⁵）PEO液滴在低速和高速撞击时分别为振荡弹起模态和振荡模态,临界速度为1.13m/s。高相对分子质量（1×10⁶、4×10⁶）的PEO液滴,其高分子长链与表面交互作用显著增强,表现出很强的黏性,撞击后反弹完全被抑制,均黏附沉积于荷叶表面;液滴发生沉积的临界Oh数为0.0544,且Oh数越大,液滴越难发生反弹。速度一定时,相对分子质量3×10⁵以上的3种PEO液滴的最大铺展系数均小于水滴;三者的上升系数随速度增加先减小后保持基本稳定或略微增加。     

单液滴撞击受热枫桦木炭化表面的实验研究

通过模拟实验研究了水滴及含4% 氟表面活性剂(AFFF)液滴分别撞击室温和加热枫桦木炭化表面的碰撞动态过程。实验中加热枫桦木表面温度为124.7℃,纯水滴初始直径为(2.4±0.1)mm,含4% AFFF液滴初始直径为(1.8±0.1)mm,液滴滴落高度为15~40 cm。采用Photron Fastcam高速摄影仪记录液滴碰撞的动态过程,拍摄帧数为2000 fps。研究结果表明:水滴撞击枫桦木炭化表面后飞溅液滴数、最大铺展因子都随着水滴撞击速度的增大而增大。纯水滴撞击加热枫桦木炭化表面4 ms后迅速飞溅形成次生液滴,小液滴滚动蒸发聚合成一个大液柱,大液柱起伏多次后形成一个小液柱停留在枫桦木表面。而含4% AFFF液滴撞击受热枫桦木炭化表面时,液滴碰撞后与木材发生良好浸润现象。     

液滴撞击平板的铺展特征

采用高速摄像仪研究了液滴在不同韦伯数和撞击角下撞击干燥平板时的铺展行为.结果表明,当撞击角相同时,韦伯数越小,液滴最大横向铺展直径也越小;韦伯数相同,撞击角越大,液滴横向铺展直径越大;在铺展和回缩过程中,环形液层外圈相对于内圈在达到横向最大铺展直径时具有滞后现象.     

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。     

圆柱壁面上液滴凝固相变对其运动行为的影响

采用CLSVOF耦合焓-多孔介质方法对单液滴撞击低温光滑圆柱壁面的现象进行数值模拟研究，揭示了壁面温度、壁面浸润性和液滴撞击速度等因素对液滴撞击低温光滑圆形壁面后动力学行为及相变特性的影响，研究中主要关注两个重要参数的变化规律：液膜高度变化和液滴对壁面的润湿特性。研究表明：提高壁面疏水性能可有效减小液滴碰撞圆柱的铺展润湿面积，从而减小冻结面积，降低结冰的危害程度；由于圆柱壁面的曲率作用，液滴撞击疏水圆柱壁面会出现液膜断裂，但在极低温度下，可抑制液膜在圆形壁面上的分裂，导致液膜在壁面上的铺展面积有所增加，防结冰性能下降。     

乙醇水溶液单液滴碰撞热壁面的动态演化特性

乙醇添加剂能显著改变去离子水基液滴碰壁动态特性。本文设计并搭建了液滴碰壁动态演化及传热研究实验台,并就溶液表面张力、液滴韦伯数（We）、壁面温度等对液滴碰壁的特性影响进行了实验研究。结果表明乙醇添加剂能够有效增强液滴润湿特性,促进液滴的雾化和破碎现象,同时抑制液滴反弹能力。并且这一能力随着乙醇溶液浓度的增大而增强。润湿特性随着液滴We的增大呈现出先增强后发生反弹现象的趋势,乙醇添加剂能够有效地抑制这种反弹趋势,并使混合液滴继续发生铺展现象。壁面温度125℃时,当We由15增大到33时,水基液由铺展阶段过渡到反弹阶段,而添加乙醇使得液滴继续铺展,没有发生反弹现象。乙醇添加剂能够明显地提高液滴由铺展到反弹的临界转变温度（T_CHF）,扩大液滴核态沸腾对应的温度区域,延迟液滴进入过渡沸腾阶段。     

Numerical simulations of drop impact and spreading on horizontal and inclined surfaces

The phenomenon of drop spreading is important to several process engineering applications. In the present work, numerical simulations of the dynamics of drop impact and spreading on horizontal and inclined surfaces were carried out using the volume of fluid (VOF) method. For the horizontal surfaces, the dynamics of impact and spreading of glycerin drops on wax and glass surfaces was investigated for which the experimental measurements were available [Šikalo, Š., Tropea, C., Ganic, E.N., 2005a. Dynamic wetting angle of a spreading droplet. Experimental Thermal and Fluid Science 29, 795-802; Šikalo, Š., Tropea, C., Ganic, E.N., 2005b. Impact of droplets onto inclined surfaces. Journal of Colloid and Interface Science 286, 661-669]. The influence of surface wetting characteristics was investigated by using static contact angle (SCA) and dynamic contact angle (DCA) models. The dynamics of drop impact and spreading on inclined surfaces and the different regimes of drop impact and spreading process were also investigated. In particular, the effects of surface inclination, surface wetting characteristics, liquid properties and impact velocity on the dynamics of drop impact and spreading were investigated numerically and the results were verified experimentally. It was found that the SCA model can predict the drop impact and spreading behavior in quantitative agreement with the experiments for less wettable surfaces (SCA>90^°). However, for more wettable surfaces (SCA<90^°), the DCA observed at initial contact times were order of magnitude higher than SCA values and therefore the DCA model is needed for the accurate prediction of the spreading behavior.     

水下四氯化碳单液滴在凹壁面上的动态特性

采用实验观测与图像处理相结合,对CCl4液滴在水下撞击凹壁面后的动态特性进行了系统研究。结果表明,液滴撞击凹壁面的过程经历了下降、扩散、松弛、滚动和润湿五个阶段。液滴与凹壁面间的撞击角θ对液滴拉伸特性的影响大于液滴初始直径和壁面曲率半径。当θ=90°时液滴垂直撞击壁面最低点,液滴迅速弹跳并强烈回缩,铺展时间短且变形率最小。在θ=100°~150°时,随着撞击角增加液滴变形幅度增大,相邻时刻滑动变形率小于滚动变形率。110°<θ<130°时液滴以滑动和铺展为主。θ>130°时液滴沿壁面滚动现象更容易发生。θ=154.2°时液滴接近纯滚动状态。增大撞击角,液滴沿凹壁面滚动下滑有效降低壁面黏附和液滴破碎。     

固体表面温度对冻结液滴的相变过程与表面润湿特性的影响

通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同基底温度下于铝板表面融化过程的动态表面润湿特性,结合力学分析,总结了液滴润湿面积、体积、接触角等润湿参数与相变时间之间的变化规律。实验结果表明：液滴的润湿性主要受重力、表面张力、热毛细力的影响,重力对液滴的横向扩散促进作用、表面张力与热毛细力受底板温度影响具有抑制液滴润湿过程的作用;两种不同条件下,冻结液滴高度变化规律相同,随着融化的进行,液滴高度骤降,然后缓慢降低;不同冻结条件下,冻结液滴的润湿过程主要发生在融化初始阶段,重力促进液滴的润湿过程,液滴接触角处于65°～85°之间,而在润湿后阶段,接触角减小,重力的作用减弱,表面张力的作用增强,液滴的扩散进程受阻,体积下降的趋势也变缓;不同升温条件下,冻结液滴的润湿过程几乎没有发生,热毛细力与表面张力在润湿过程中占据主导性,随着基底温度的升高,液滴内部与三相线温差逐渐增大,Ma数呈增加的趋势,数值由1802增至22876,热毛细力始终抑制液滴的运动。     

单液滴撞击冷板面的实验和模拟

用实验和模拟的方法研究了直径为3.2 mm的单个蒸馏水液滴与冷板面（温度低于273 K）撞击铺展和固化过程,分析了撞击高度（100、250、500 mm）、板面温度（253、268 K）、板面倾角（0°、30°和60°）对撞击过程的影响以及液滴在冷板面上冻结过程。并模拟了单个普鲁兰多糖溶液液滴在撞击高度为100 mm、板面温度为253 K的过程。结果表明,撞击高度与板面温度对液滴在水平冷板面的铺展过程起到重要作用,板面倾角会影响液滴撞击倾斜板面时的冷冻沉积。物料的黏度会影响液滴冷冻沉积时的铺展速率及铺展直径,而对于较高黏度物料,温度并不起决定作用。模拟和实验结果吻合较好,反映了液滴铺展冻结过程中的温度变化,有利于直观解释液滴发生冻结的状况。     

含气泡油滴撞击矩形沟槽壁面的数值分析

采用耦合水平集-体积分数（CLSVOF）方法对含气泡油滴撞击矩形沟槽壁面现象进行数值模拟研究,考察了油滴撞击壁面后的形态演化过程,分析了中心射流形成机理和气体夹带的分布规律,并探究了沟槽宽度、沟槽深度和撞击位置对油滴铺展特性的影响。研究表明：含气泡油滴在矩形沟槽壁面铺展时会形成中心射流,沟槽内部存在气体夹带现象。气泡底部的速度旋涡是形成中心射流的主要原因,沟槽内的气体夹带受油滴铺展速度影响呈现规律性分布。沟槽宽度对含气泡油滴在垂直沟槽方向和平行沟槽方向的铺展长度影响较大,但对铺展高度影响较小。当无量纲沟槽宽度为0.3时,油滴形成颈部射流并在运动后期使垂直沟槽方向的铺展长度迅速增加。此外,沟槽深度也对含气泡油滴在各方向的铺展有重要影响,沟槽深度越大,中心射流现象越难形成。撞击位置变化不改变油滴在沟槽壁面上的运动演化过程,但对沟槽内部的气体夹带规律有一定影响。