單液滴撞擊超疏水冷表面的反彈及破碎行為

李棟，王鑫，高尚文，諶通，趙孝保，陳振乾

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單液滴撞擊超疏水冷表面的反彈及破碎行為

李棟1,2，王鑫1，高尚文1，諶通1，趙孝保1,2，陳振乾3

(1南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210042；2江蘇省能源系統(tǒng)過程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210042；3東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096）

對(duì)直徑2.8 mm的液滴撞擊冷表面的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行快速可視化觀測，對(duì)比研究單液滴撞擊普通冷表面以及超疏水冷表面的動(dòng)力學(xué)特性，同時(shí)對(duì)初始撞擊速度以及冷表面溫度對(duì)液滴動(dòng)態(tài)演化行為的影響進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與液滴撞擊普通冷表面（溫度-25～-5℃）發(fā)生瞬時(shí)凍結(jié)沉積相比，液滴撞擊超疏水冷表面時(shí)均未發(fā)生凍結(jié)，而且伴隨鋪展、回縮、反彈以及破碎行為；撞擊速度越大，普通冷表面上液滴鋪展因子越大，而且液滴越易凍結(jié)。液滴低速（≤76）撞擊超疏水冷表面會(huì)發(fā)生反彈現(xiàn)象，但速度對(duì)液滴最大鋪展時(shí)間無影響；液滴高速（≥115）撞擊超疏水冷表面后會(huì)產(chǎn)生明顯液指，而且破碎為多組衛(wèi)星液滴。此外，冷表面溫度僅影響液滴反彈高度，對(duì)液滴最大鋪展因子以及液滴鋪展時(shí)間影響較小。結(jié)果表明超疏水表面可顯著抑制液滴撞擊冷表面的瞬時(shí)凍結(jié)沉積。

超疏水；冷表面；鋪展因子；反彈；破碎；成像；動(dòng)力學(xué)；數(shù)值分析

引 言

液滴撞擊固體冷表面現(xiàn)象廣泛存在于制冷空調(diào)、電力通訊以及航空航天領(lǐng)域。液滴撞擊冷表面后會(huì)在壁面發(fā)生凍結(jié)沉積，嚴(yán)重影響制冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率及電力線路安全，同時(shí)對(duì)飛行器飛行穩(wěn)定性也有重要影響[1]。因此，探求有效的防結(jié)冰方法具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

近年來，液滴撞擊疏水/超疏水壁面的動(dòng)力學(xué)特性成為研究熱點(diǎn)。研究者普遍認(rèn)為液滴撞擊固體壁面后的動(dòng)態(tài)行為主要受壁面粗糙度[2-5]、撞擊角度[6-8]、壁面結(jié)構(gòu)[9-14]、液滴溫度[15-16]以及撞擊速度[17-22]影響。然而，以上研究主要關(guān)注液滴撞擊常溫下超疏水表面的動(dòng)力學(xué)特性，亦有部分研究者對(duì)液滴撞擊普通冷表面的凍結(jié)特性進(jìn)行了探討[23-26]，但對(duì)液滴撞擊超疏水冷表面的防結(jié)冰特性以及動(dòng)力學(xué)行為研究較少。Wang等[27]和Mishchenko等[28]探討了液滴撞擊超疏水冷表面的防冰特性，發(fā)現(xiàn)液滴撞擊超疏水冷表面（傾斜角度30°，溫度-15～-10℃）時(shí)可瞬間反彈且脫離冷表面，體現(xiàn)了超疏水表面較好的防冰特性。Bahadur等[29]建立了液滴撞擊超疏水冷表面的數(shù)學(xué)模型，探討了超疏水表面形貌及液滴熱物性對(duì)液滴撞擊冷表面后凍結(jié)特性的影響，認(rèn)為超疏水表面結(jié)構(gòu)是影響其防冰特性的關(guān)鍵因素。Chen等[30]研究了液滴撞擊納米管陣列冷表面的動(dòng)態(tài)特性，認(rèn)為相同撞擊速度下液滴接觸時(shí)間隨冷表面溫度降低而增加，同時(shí)指出液滴撞擊-18℃的超疏水冷表面時(shí)會(huì)發(fā)生反彈而無凍結(jié)發(fā)生。

以上關(guān)于液滴撞擊超疏水冷表面的研究主要關(guān)注超疏水表面結(jié)構(gòu)對(duì)液滴撞擊的影響，對(duì)不同速度以及冷表面溫度對(duì)液滴撞擊的影響研究較少，而且缺乏對(duì)液滴撞擊普通冷表面以及超疏水冷表面動(dòng)力學(xué)行為的對(duì)比研究，同時(shí)對(duì)液滴撞擊超疏水冷表面的反彈以及破碎行為的認(rèn)識(shí)尚不明晰。然而，液滴撞擊超疏水冷表面的反彈和破碎行為能夠有效防止液滴凍結(jié)，因此對(duì)液滴撞擊超疏水冷表面的反彈和破碎行為的研究具有重要意義。

因此，本研究對(duì)液滴撞擊普通冷表面以及超疏水冷表面的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行對(duì)比可視化觀測，記錄了液滴撞擊普通冷表面以及超疏水冷表面的動(dòng)態(tài)演化過程，分析了撞擊速度以及冷表面溫度對(duì)液滴撞擊超疏水冷表面的影響規(guī)律，探討了液滴撞擊超疏水冷表面產(chǎn)生反彈、破碎而未發(fā)生凍結(jié)的原因。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 超疏水表面的制備與表征

采用環(huán)氧改性有機(jī)硅溶于乙酸丁酯和乙醇混合溶劑制備稀溶液，依次加入少量正硅酸四乙酯硅氧烷水解促進(jìn)劑和醋酸pH調(diào)節(jié)劑后，緩慢加入2%的全氟辛基三乙氧基硅氧烷，最后加入酸酐類固化劑，噴涂于鋁基表面，經(jīng)高溫干燥固化，成功制備出表面靜態(tài)接觸角為160°、滾動(dòng)角<10°的超疏水表面。普通鋁表面與超疏水表面靜態(tài)接觸角如圖1所示。圖2給出了普通鋁表面及所制備超疏水表面的SEM圖。從圖2可以看出，普通鋁板表面形貌平坦且粗糙度較小[圖2(a)]，而經(jīng)疏水處理后，鋁基表面產(chǎn)生較多微小突起，表面粗糙度明顯增加[圖2(b)]。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

圖3給出了液滴撞擊冷表面的實(shí)驗(yàn)裝置。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)、快速圖像采集系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及微液滴制備系統(tǒng)。半導(dǎo)體制冷片為實(shí)驗(yàn)提供冷源，可實(shí)現(xiàn)冷表面溫度在-25～0℃之間變化，其冷端與實(shí)驗(yàn)片接觸，熱端與U形水道接觸，各接觸面間涂有導(dǎo)熱硅脂以減少接觸熱阻。實(shí)驗(yàn)片為60 mm×60 mm×2 mm的鋁片，在其兩側(cè)靠近表面處各鉆有2個(gè)直徑0.8 mm、深度20 mm的小孔，均勻布置4根K型熱電偶測量冷表面溫度。冷表面溫度降至實(shí)驗(yàn)溫度前，用一封閉有機(jī)玻璃盒蓋在冷表面上，使冷表面與外界空氣隔絕，從而有效防止冷表面上冷凝的發(fā)生，排除液滴冷凝對(duì)表面潤濕性的影響。實(shí)驗(yàn)中，去離子水由分體式微量注射泵（TJ 2A/L0107-2A）注入固定在導(dǎo)軌上的微推器中，由于流速非常緩慢，液滴處于準(zhǔn)平衡態(tài)，滴落液滴的大小僅取決于注射器針頭的外徑尺寸。實(shí)驗(yàn)用針頭外徑為0.5 mm，液滴體積為11.5 μl，由于液滴體積較小，可做近似球形處理，得此次實(shí)驗(yàn)中液滴初始直徑0為2.8 mm。液滴撞擊冷表面的過程采用高速攝像儀（Photron SA4，分辨率為1024×800，拍攝速率為每秒5000幀）拍攝，通過視頻電纜將拍攝的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，由圖像采集系統(tǒng)記錄實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)過程中，環(huán)境溫度（27±1）℃，相對(duì)濕度47%～63%。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 液滴撞擊超疏水冷表面的動(dòng)力學(xué)行為

2.1.1 液滴撞擊超疏水冷表面的反彈行為 圖4給出了液滴低速撞擊冷表面的動(dòng)態(tài)演化行為對(duì)比，液滴撞擊速度0.70 m·s-1，冷表面溫度-25℃，環(huán)境溫濕度分別為26.4℃和58%。由于撞擊速度低且液滴尺寸小，撞擊冷表面前液滴可近似為球形。

圖4(a)給出了液滴撞擊超疏水冷表面的動(dòng)態(tài)演化行為。從圖中可以看出，液滴撞擊超疏水冷表面后，首先在慣性力作用下克服表面張力、壁面動(dòng)摩擦力以及液滴黏附力的作用，以表面波形式沿徑向鋪展，鋪展過程中慣性力逐漸減少，表面張力逐漸增加。當(dāng)鋪展時(shí)間達(dá)到3 ms時(shí)，液滴延伸至最大鋪展面，此時(shí)最大鋪展直徑為4.6 mm。由于此時(shí)液滴表面張力遠(yuǎn)大于靜止?fàn)顟B(tài)下的表面張力，液滴處于不平衡狀態(tài)，液滴在表面張力作用下繼續(xù)克服壁面動(dòng)摩擦力以及界面黏附力的作用，開始回縮。回縮過程中，液滴受表面張力以及周圍液體擠壓，呈現(xiàn)下寬上窄的保齡球瓶形狀（10.6 ms），隨后逐漸拉伸成圓柱體形態(tài)（13.4 ms）。此時(shí)，液滴在表面張力和慣性力聯(lián)合作用下繼續(xù)保持上升趨勢，但由于表面溫度較低，冷表面界面黏附強(qiáng)度較大，呈現(xiàn)阻止液滴脫離超疏水冷表面的趨勢，液滴下部近界面處逐漸拉伸，呈現(xiàn)上寬下窄的形狀，但此時(shí)慣性力和表面張力仍占主導(dǎo)作用，最終促使液滴反彈，脫離冷表面（19.2 ms），脫離冷表面的液滴下部在表面張力作用下迅速回縮，形成球狀小液滴，此時(shí)整個(gè)液滴呈現(xiàn)蘑菇形狀，并以蠕動(dòng)方式繼續(xù)上升（22.6 ms），最終液滴經(jīng)反復(fù)振蕩，能量耗散，達(dá)到平衡狀態(tài)，靜止于超疏水冷表面，但由于重力作用，液滴呈扁圓球狀（1530 ms），而且整個(gè)過程中液滴均未發(fā)生凍結(jié)。

與液滴撞擊超疏水冷表面相比，液滴撞擊普通冷表面呈現(xiàn)不同的動(dòng)力學(xué)特征，如圖4(b)所示。液滴撞擊普通冷表面過程僅存在鋪展行為。液滴在慣性力作用下克服壁面摩擦力以及界面黏附力，逐漸鋪展，同樣在3 ms時(shí)達(dá)到最大鋪展面，此后接觸界面處液滴無回縮行為發(fā)生，如圖4（b）中3～4.48 ms過程所示。這說明，冷表面上液滴達(dá)到最大鋪展半徑時(shí)，固/液間熱量的快速傳遞已使得貼近壁面處的水膜層迅速降溫至冰點(diǎn)以下，液滴底部相變結(jié)冰并固著于冷表面，從而產(chǎn)生限制固/液接觸線移動(dòng)的束縛力，液滴-冷表面界面不再變化，此時(shí)可認(rèn)為是液滴在冷表面接觸界面處發(fā)生凍結(jié)的初始時(shí)刻，但此時(shí)液滴上部未凍結(jié)部分仍處于非平衡狀態(tài)，因此液滴上部在表面張力作用下逐漸回縮，回縮過程中由于液體擠壓，液滴上部中心處出現(xiàn)一微小凸起（4.48 ms），而且隨著時(shí)間的增加液滴上部突起逐漸增大（13.4 ms），呈現(xiàn)脫離主液滴的趨勢，但由于慣性力不足以克服液滴內(nèi)部黏性力，液滴上部最終回縮，經(jīng)反復(fù)振蕩，最終在30.6 ms時(shí)液滴呈現(xiàn)平衡狀態(tài)。整個(gè)過程中，液滴結(jié)冰現(xiàn)象由底部到頂端、由四周向中心發(fā)展，顏色由原來的透明（0 ms）過渡到半透明（30.6 ms），最終變?yōu)椴煌该鳡顟B(tài)（1530 ms），凍結(jié)沉積于普通冷表面。

2.1.2 液滴撞擊超疏水冷表面的破碎行為 圖5給出了液滴高速撞擊冷表面動(dòng)態(tài)演化行為對(duì)比，液滴撞擊速度1.99 m·s-1，冷表面溫度-15℃，環(huán)境濕度63%。

如圖5(a)所示，液滴高速撞擊普通冷表面時(shí)，液滴瞬時(shí)鋪展，三相線變化速度較大，動(dòng)態(tài)接觸角減小較快，達(dá)到最大鋪展長度時(shí)液滴和冷表面接觸液膜更薄，動(dòng)態(tài)接觸角的減小及液膜的變薄更易于液滴相變成核，因此在鋪展過程中液滴與普通冷表面界面瞬間凍結(jié)(3 ms)。同時(shí)從圖中可以看出，由于表面張力使液滴自由液面流動(dòng)加劇，鋪展液滴周邊較厚液膜未完全凍結(jié)部分會(huì)以表面毛細(xì)波的形式回縮（7 ms）并逐漸向液滴中心擠壓（15.6 ms），此時(shí)液滴流動(dòng)和凍結(jié)過程同時(shí)發(fā)生，最終在764.2 ms以圓盤狀形態(tài)完全凍結(jié)沉積于冷表面。

圖5 液滴高速撞擊冷表面的動(dòng)態(tài)演化過程對(duì)比

與普通表面上液滴撞擊行為相比，液滴高速撞擊超疏水冷表面的動(dòng)態(tài)演化行為完全不同，如圖5(b)所示。由于撞擊速度較大，液滴撞擊超疏水冷表面后迅速向四周鋪展，形成液膜的鋪展直徑增大，三相接觸界面不再呈現(xiàn)規(guī)則圓形（3 ms）。這是因?yàn)楦咚僮矒魲l件下三相接觸線變化較為迅速，部分空氣進(jìn)入液滴，產(chǎn)生空氣夾帶[18]，造成三相接觸線變化速率不均，接觸線出現(xiàn)鋸齒形態(tài)且邊緣逐漸形成液指（3ms）。

根據(jù)冰晶成核理論[31]，液滴從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)需要克服的相變能量壁壘D*為

其中

式中，S為單個(gè)原子體積，sf為固液界面的表面張力，D為單個(gè)原子從液態(tài)變?yōu)楸У腉ibbs自由能變化，為表面接觸角。

由式（1）可知，D*的大小與表面接觸角有關(guān)，表面接觸角越大，()越大，液滴在冷表面發(fā)生液固相變達(dá)到臨界半徑所對(duì)應(yīng)的Gibbs自由能的變化D*越大，成核壁壘越高，成核難度越大，液滴越難凍結(jié)。實(shí)驗(yàn)中，由于表面的超疏水性，其表面接觸角(160°)較普通表面(87°)顯著提高，使得液滴相變成核壁壘提高，冰晶成核難度增加，液滴撞擊超疏水冷表面瞬間無法克服相變成核壁壘，因此液滴-冷表面接觸界面不會(huì)有凍結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。

隨后，液滴在表面張力作用下回縮，由于此時(shí)主液滴動(dòng)態(tài)接觸角遠(yuǎn)小于邊緣液指接觸角，表面張力主導(dǎo)的中心主液滴回縮速度遠(yuǎn)高于邊緣液指的回縮速度，最終斷裂形成體積更小的次生液滴（5 ms）。此外，由于慣性力及表面張力的聯(lián)合作用，液滴回縮過程中同時(shí)發(fā)生中心液膜破裂現(xiàn)象（6.2 ms），最終液滴在219.6 ms時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖6給出了液指斷裂行為微細(xì)過程。從圖中可以看出，液滴回縮過程中，主液滴和液指之間的液橋逐漸變細(xì)，出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，當(dāng)回縮力大于液滴之間的黏結(jié)力時(shí)液滴斷裂，形成呈現(xiàn)超疏水狀態(tài)的衛(wèi)星液滴。整個(gè)液滴撞擊超疏水冷表面過程中，液滴僅發(fā)生破碎，未發(fā)生凍結(jié)。對(duì)比結(jié)果可以看出超疏水表面可有效抑制液滴撞擊冷表面的瞬時(shí)凍結(jié)。

2.2 速度對(duì)液滴撞擊普通冷表面及超疏水冷表面動(dòng)態(tài)行為的影響

圖7給出了液滴以不同速度撞擊超疏水冷表面的動(dòng)態(tài)演化行為，冷表面溫度-25℃，環(huán)境濕度47%。當(dāng)速度為0.7 m·s-1時(shí)[圖7(a)]，液滴撞擊冷表面鋪展過程中三相接觸線呈規(guī)則圓形（3 ms）。隨著撞擊速度的增大，最大鋪展直徑逐漸增大，中心液膜厚度逐漸減薄。當(dāng)撞擊速度為1.4 m·s-1時(shí)[圖7(b)]，三相接觸面不再呈現(xiàn)規(guī)則圓形（3 ms），這是因?yàn)樗俣仍黾訉?dǎo)致三相接觸線變化速率增大，空氣卷入液滴，使得三相接觸線變化速率不均，但此時(shí)慣性力不足以克服液滴內(nèi)部黏結(jié)力，液滴未發(fā)生破碎，而液滴具有的動(dòng)能足以克服冷表面的黏滯作用，從而使液滴整體發(fā)生反彈。同時(shí)，隨著撞擊速度的增加，液滴達(dá)到最大鋪展面的表面張力增大，使得回縮時(shí)三相接觸線變化速率增大，液滴反彈程度增大。當(dāng)撞擊速度增大至1.99 m·s-1時(shí)[圖7(c)]，液滴撞擊冷表面后鋪展過程開始出現(xiàn)多個(gè)形態(tài)相似的液指（3 ms），液指在回縮過程中斷裂，液滴發(fā)生破碎，體積減小，呈不對(duì)稱形態(tài)(9.2 ms)。隨著液滴撞擊速度進(jìn)一步增大至2.43 m·s-1[圖7(d)]，液滴最大鋪展直徑增大，鋪展過程中形成液指數(shù)增加（3 ms），而且由于慣性力增大，液指在鋪展和回縮過程中均發(fā)生液指斷裂，次生液滴脫離主液滴，形成若干衛(wèi)星液滴。與撞擊速度1.99 m·s-1相比，衛(wèi)星液滴數(shù)量明顯增加，而體積較低速下顯著減小(48 ms)。值得指出的是，雖然撞擊速度會(huì)影響液滴撞擊超疏水冷表面的反彈、破碎及液滴分布，整個(gè)撞擊過程液滴并未發(fā)生瞬時(shí)凍結(jié)。

圖8 不同速度液滴撞擊普通冷表面的動(dòng)態(tài)演化行為

與液滴撞擊超疏水冷表面未發(fā)生瞬時(shí)凍結(jié)相比，不同速度液滴撞擊普通冷表面后界面處均發(fā)生瞬時(shí)凍結(jié)，如圖8所示，環(huán)境濕度47%。隨著液滴撞擊速度的增加，液滴的最大鋪展直徑逐漸增加（3 ms），鋪展面逐漸呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)。當(dāng)速度增加到2.43 m·s-1時(shí)，與圖7(d)相似，液滴最大鋪展面也出現(xiàn)不均勻液指[圖8(d)]，但與超疏水表面上液指不同，普通表面上液指接觸角呈明顯親水狀態(tài)。同時(shí)，速度增加引起液膜減薄以及液滴動(dòng)態(tài)接觸角迅速降低，使得液滴終態(tài)接觸角減小，由親水的球缺狀（0.7 m·s-1）逐漸變?yōu)槌H水的圓盤狀（2.43 m·s-1），液滴成核壁壘降低，從而引起液滴凍結(jié)速率增加。如圖8所示，撞擊速度為0.7 m·s-1和1.4 m·s-1時(shí)，48 ms的時(shí)間內(nèi)，液滴部分發(fā)生凍結(jié)，但整體未完全凍結(jié)[圖8(a)和圖8(b)]，但隨著液滴撞擊速度的增加，當(dāng)撞擊速度達(dá)到1.99 m·s-1和2.43 m·s-1時(shí)，液滴在48 ms內(nèi)完全鋪展凍結(jié)在冷表面[圖8(c)和圖8(d)]。由此可見撞擊速度會(huì)影響液滴撞擊普通冷表面的凍結(jié)速率。

圖9給出了液滴撞擊超疏水冷表面以及普通冷表面過程液滴鋪展因子隨接觸時(shí)間的變化規(guī)律，冷表面溫度-25℃，環(huán)境濕度47%。定義鋪展因子為0，其中為液滴鋪展過程中與表面接觸的瞬時(shí)直徑，0為液滴初始直徑2.8 mm。同時(shí)引入量綱1參數(shù)=ρvl/σ表示液滴初始撞擊速度的變化，其中分別表示液滴密度、初始撞擊速度、直徑、表面張力。

圖9(a)給出了液滴撞擊超疏水冷表面鋪展因子隨接觸時(shí)間的變化。從圖中可以看出，當(dāng)液滴≤76時(shí)，液滴均存在鋪展、回縮以及反彈現(xiàn)象且液滴均在3 ms時(shí)鋪展至最大直徑，與無關(guān)。隨著的增加，超疏水表面上液滴鋪展速率和回縮速率均增加，但由于最大鋪展直徑也相應(yīng)增加，不同下液滴鋪展總時(shí)間和回縮總時(shí)間基本相同，均在18 ms開始反彈。當(dāng)≥115時(shí)，液滴在鋪展過程中發(fā)生破碎，而且隨著撞擊的增加液滴破碎時(shí)間提前。

與液滴撞擊超疏水冷表面鋪展因子隨接觸時(shí)間的變化規(guī)律相比，液滴撞擊普通冷表面鋪展因子隨接觸時(shí)間的變化呈現(xiàn)不同的規(guī)律，如圖9(b)所示。與超疏水冷表面撞擊相同，越大，液滴鋪展因子越大，而且隨著的增加普通表面上液滴鋪展過程三相線變化速率增加?！?6，普通表面上液滴最大鋪展直徑均大于超疏水表面。而在76～115之間時(shí)，普通表面上液滴最大鋪展直徑反而小于超疏水表面，這是因?yàn)樵诟咚僮矒粝缕胀ū砻嬉旱武佌惯^程中界面凍結(jié)提前，從而限制了液滴的繼續(xù)鋪展，而且液滴撞擊超疏水冷表面過程中會(huì)有液指出現(xiàn)，進(jìn)一步增加了其鋪展直徑。但當(dāng)進(jìn)一步增加至230時(shí)，普通表面上液滴最大鋪展因子為4.64[圖9(b)]，而超疏水表面上液滴最大鋪展因子僅為3[圖9(a)]，這是因?yàn)橐旱胃咚僮矒舫杷浔砻鏁r(shí)未充分鋪展便已開始發(fā)生破碎或飛濺，使得其鋪展直徑又小于普通表面。從圖中可知，不同條件下界面液滴幾乎均在3ms左右發(fā)生凍結(jié)，從而抑制了界面處液滴鋪展和回縮，液滴鋪展因子不再變化。

2.3 表面溫度對(duì)液滴撞擊超疏水冷表面動(dòng)態(tài)行為的影響

為了探究冷表面溫度對(duì)液滴撞擊過程的影響，對(duì)液滴撞擊超疏水冷表面的鋪展因子隨時(shí)間的變化進(jìn)行了研究，如圖10所示，環(huán)境濕度為57%。從圖10(a)中可以看出，撞擊速度0.99 m·s-1時(shí)，在溫度-25～-5℃的范圍內(nèi)冷表面溫度對(duì)鋪展因子基本無影響，而且最大鋪展時(shí)間均在3 ms左右，鋪展過程中最大鋪展因子以及三相線變化速率基本相同，與表面溫度無關(guān)。但回縮過程受冷表面溫度影響顯著，冷表面溫度越低，回縮過程時(shí)間越長。同時(shí)，液滴撞擊超疏水冷表面后均未發(fā)生凍結(jié)且存在反彈現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谝旱闻c超疏水表面接觸的極短時(shí)間內(nèi)超疏水表面液滴動(dòng)態(tài)接觸角較大且液滴在超疏水表面的成核壁壘較高，可有效抑制冰晶成核，而且超疏水冷表面的黏結(jié)力遠(yuǎn)小于普通冷表面的黏結(jié)力，液滴在慣性力作用下足以克服冷表面界面處與液滴之間的黏結(jié)力，從而使液滴與冷表面發(fā)生分離反彈脫離冷表面。圖10(b)給出了撞擊速度1.99 m·s-1時(shí)冷表面溫度下液滴撞擊超疏水冷表面的影響，從圖中可以看出，液滴撞擊超疏水冷表面后在鋪展過程中均發(fā)生破碎現(xiàn)象，而且均在液滴撞擊的3 ms發(fā)生，冷表面溫度對(duì)破碎前鋪展因子大小影響較小。

圖11給出了液滴撞擊超疏水冷表面后反彈高度隨時(shí)間的變化規(guī)律，初始撞擊速度0.99 m·s-1，環(huán)境濕度52%。定義液滴回縮至剛脫離超疏水冷表面的時(shí)間為初始反彈時(shí)間，液滴底端距離超疏水冷表面的高度為瞬時(shí)反彈高度。如圖所示，隨著冷表面溫度的降低，液滴最大反彈高度顯著降低，冷表面溫度為26.4℃時(shí)液滴反彈的最大高度為5.29 mm且經(jīng)過53.4 ms回到冷表面，而當(dāng)冷表面溫度降低到-25℃時(shí)，其最大反彈高度僅為2.44 mm，且23.4 ms后即已回到冷表面。這是因?yàn)椋浔砻鏈囟仍降?，液滴撞擊表面后回縮過程時(shí)間越長，液滴反彈前接觸冷表面的總時(shí)間增加，接觸時(shí)間的增加會(huì)降低液滴溫度，使得液滴黏性增加，從而使得界面黏性耗散顯著增大，所以具有相同初始速度的液滴撞擊不同冷表面溫度超疏水壁面后液滴反彈前具有的初始動(dòng)能不同，因此最大反彈高度不同。冷表面溫度越低，反彈高度越小。需要指出的是，液滴反彈過程中以自身蠕動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，而且本研究定義反彈高度是指液滴底端距離超疏水冷表面的距離，因此反彈高度呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢。

3 結(jié) 論

對(duì)直徑2.8 mm液滴撞擊超疏水冷表面及普通冷表面的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了對(duì)比可視化實(shí)驗(yàn)觀測，記錄了液滴撞擊超疏水冷表面及普通冷表面的動(dòng)態(tài)演化行為，并對(duì)撞擊速度以及冷表面溫度對(duì)液滴撞擊過程的影響進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與液滴撞擊普通冷表面時(shí)界面瞬間凍結(jié)且僅發(fā)生鋪展及回縮現(xiàn)象相比，液滴撞擊超疏水冷表面時(shí)未發(fā)生凍結(jié)且會(huì)發(fā)生液滴的鋪展、回縮、反彈或破碎等現(xiàn)象。液滴撞擊速度越大，液滴最大鋪展因子越大，液滴撞擊普通冷表面的凍結(jié)速率越大。低于76時(shí)，液滴撞擊超疏水冷表面會(huì)發(fā)生反彈現(xiàn)象；大于115時(shí)，液滴撞擊超疏水冷表面后會(huì)產(chǎn)生明顯液指且破碎為多組衛(wèi)星液滴，而且隨增加，衛(wèi)星液滴數(shù)量增加，體積減小。同時(shí)速度對(duì)液滴的最大鋪展時(shí)間無影響。此外，冷表面溫度-25～-5℃范圍內(nèi)，液滴撞擊超疏水冷表面均可發(fā)生反彈或破碎現(xiàn)象，相同撞擊速度下，冷表面溫度越低，液滴反彈高度越小，但冷表面溫度對(duì)最大鋪展因子和鋪展時(shí)間基本無影響。結(jié)果表明，超疏水表面可有效防止液滴撞擊冷表面時(shí)的凍結(jié)沉積，具有較好的防結(jié)冰性能。

References

[1] Dalili N, Edrisy A, Carriveau R. A review of surface engineering issues critical to wind turbine performance[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(2): 428-438.

[2] Chen L, Xiao Z, Chan P C H,A comparative study of droplet impact dynamics on a dual-scaled superhydrophobic surface and lotus leaf[J]. Applied Surface Science, 2011, 257(21): 8857-8863.

[3] Raza M A, Van Swigchem J, Jansen H P,Droplet impact on hydrophobic surfaces with hierarchical roughness[J]. Surface Topography Metrology & Properties, 2014, 2(2): 035002.

[4] Lv C, Hao P, Zhang X,. Drop impact upon superhydrophobic surfaces with regular and hierarchical roughness[J]. Applied Physics Letters, 2016, 108(14): 141602.

[5] Hao P F, Cunjing L V, Niu F L,Water droplet impact on superhydrophobic surfaces with microstructures and hierarchical roughness[J]. Science China Physics Mechanics & Astronomy, 2014, 57(7): 1376-1381.

[6] Leclear S, Leclear J, Abhijeet,. Drop impact on inclined superhydrophobic surfaces[J]. Journal of Colloid & Interface Science, 2015, 461: 114-121.

[7] Yeong Y H, Burton J, Loth E,. Drop impact and rebound dynamics on an inclined superhydrophobic surface[J]. Langmuir, 2014, 30(40): 12027-12038.

[8] Liang G, Guo Y, Shen S,. A study of a single liquid drop impact on inclined wetted surfaces[J]. Acta Mechanica, 2014, 225(12): 3353-3363.

[9] Li X, Ma X, Lan Z. Dynamic behavior of the water droplet impact on a textured hydrophobic/superhydrophobic surface: the effect of the remaining liquid film arising on the Pillars’tops on the contact time[J]. Langmuir, 2010, 26(26): 4831-4838.

[10] LEE J B, LEE S H. Dynamic wetting and spreading characteristics of a liquid droplet impinging on hydrophobic textured surfaces[J]. Langmuir, 2011, 27(11): 6565-6573.

[11] Kannan R, Sivakumar D. Drop impact process on a hydrophobic grooved surface[J]. Colloids & Surfaces A, Physicochemical & Engineering Aspects, 2008, 317(1/2/3): 694-704.

[12] Patil N D, Bhardwaj R, Sharma A. Droplet impact dynamics on micropillared hydrophobic surfaces[J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 2016, 74: 195-206.

[13] Tsai P, Pacheco S, Pirat C,. Drop impact upon micro- and nanostructured superhydrophobic surfaces[J]. Langmuir, 2009, 25(20): 12293-12298.

[14] Pittoni P G, Lin Y C, Lin S Y. The impalement of water drops impinging onto hydrophobic/superhydrophobic graphite surfaces: the role of dynamic pressure, hammer pressure and liquid penetration time[J]. Applied Surface Science, 2014, 301(10): 515-524.

[15] Khedir K R, Kannarpady G K, Ishihara H,. Temperature-dependent bouncing of super-cooled water on teflon-coated superhydrophobic tungsten nanorods[J]. Applied Surface Science, 2013, 279(32): 76-84.

[16] Maitra T, Antonini C, Tiwari M K,. Supercooled water drops impacting superhydrophobic textures[J]. Langmuir, 2014, 30(36): 10855-10861.

[17] Wang Z, Lopez C, Hirsa A,. Impact dynamics and rebound of water droplets on superhydrophobic carbon nanotube arrays[J]. Applied Physics Letters, 2007, 91(2): 023105.

[18] 楊寶海, 王宏, 朱恂, 等. 速度對(duì)液滴撞擊超疏水壁面行為特性的影響[J]. 化工學(xué)報(bào), 2012, 63(10): 3027-3033. YANG B H, WANG H, ZHU X,. Effect of velocity oil behavior of droplet impacting superhydrophobic surface[J]. CIESC Journal, 2012, 63(10): 3027-3033.

[19] 劉冬薇, 寧智, 呂明, 等. 液滴撞擊超疏水壁面反彈及破碎行為研究[J]. 計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 33(1): 106-112. LIU D W, NING Z, Lü M,. Rebound and splash behaviors of droplet impacting on superhydrophobic surfaces[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2016, 33(1): 106-112.

[20] Bange P G, Bhardwaj R. Computational study of bouncing and non-bouncing droplets impacting on superhydrophobic surfaces[J]. Theoretical and Computational Fluid Dynamics, 2016, 30(3): 1-25.

[21] Lee C, Nam Y, Lastakowski H,. Two types of Cassie-to-Wenzel wetting transitions on superhydrophobic surfaces during drop impact[J]. Soft Matter, 2015, 11(23): 4592-4599.

[22] Patil N D, Gada V H, Sharma A,. On dual-grid level-set method for contact line modeling during impact of a droplet on hydrophobic and superhydrophobic surfaces[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2016, 81: 54-66.

[23] XU Q, Li Z Y, Wang J,. Characteristics of single droplet impact on cold plate surfaces[J]. Drying Technology, 2012, 30(15): 1756-1762.

[24] Jin Z, Wang Z, Sui D,. The impact and freezing processes of a water droplet on different inclined cold surfaces[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2016, 97: 211-223.

[25] Jin Z, Sui D, Yang Z. The impact, freezing, and melting processes of a water droplet on an inclined cold surface[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2015, 90: 439-453.

[26] Li H, Roisman I V, Tropea C. Influence of solidification on the impact of supercooled water drops onto cold surfaces[J]. Experiments in Fluids, 2015, 56(6): 1-13.

[27] Wang Y, Xue J, Wang Q,. Verification of icephobic/anti-icing properties of a superhydrophobic surface[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5(8): 3370-3381.

[28] Mishchenko L, Hatton B, Bahadur V,. Design of ice-free nanostructured surfaces based on repulsion of impacting water droplets[J]. ACS Nano, 2010, 4(12): 7699-7707.

[29] Bahadur V, Mishchenko L, Hatton B,. Predictive model for ice formation on superhydrophobic surfaces[J]. Langmuir, 2011, 27(23): 14143-14150.

[30] Chen Y, Fu Y, Huang J,. Droplet bouncing on hierarchical branched nanotube arrays above and below the freezing temperature[J]. Applied Surface Science, 2016, 375: 127-135.

[31] WANG H, HE G, TIAN Q. Effects of nano-fluorocarbon coating on icing[J]. Applied Surface Science, 2012, 258(18): 7219-7224.

Rebounding and splashing behavior of single water droplet impacting on cold superhydrophobic surface

LI Dong1,2, WANG Xin1, GAO Shangwen1,CHEN Tong1, ZHAO Xiaobao1,2, CHEN Zhenqian3

(1School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, Jiangsu, China;2Engineering Laboratory of Energy System Process Conversion and Emission Reduction Technology of Jiangsu Province, Nanjing 210042, China;3School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China)

Dynamic behavior of a single water droplet with 2.8 mm in diameter impacting on cold surface was visually observed by high speed camera, the evolutional characteristics of water droplet impacting on cold superhydrophobic and bare aluminum surfaces were comparatively studied. Besides, the effect of initial impacting velocity and cold surface temperatures on the dynamic behavior of water droplet on cold surface were analyzed. The experimental result showed that compared with the instantly freezing of water droplet impacting on cold bare aluminum surface, the water droplet impacting on cold superhydrophobic surface (-25—-5℃) can not freeze along with spreading, retraction, rebound and smash behaviors. The higher the impacting velocity is, the bigger the spreading factor is and the more easily the water droplet freezes on cold bare aluminum surface. Moreover, rebounding behavior can be found when droplet impacts on the superhydrophobic surface with a low speed (≤76) and velocity has no effect on the maximum spreading time. Also, obvious droplet fingers will appear and can be fragmented into many satellite droplets as droplet impacts on cold superhydrophobic surface with a high speed (≥115). In addition, cold surface temperature has obvious effect on rebounding height but has little effect on the spreading factor and spreading time. The results indicate that the superhydrophobic surface can prevent the water droplet effectively from freezing instantly as the droplet impacts on cold surface.

superhydrophobic; cold surface; spreading factor; rebounding; splashing; tomography; kinetics; numerical analysis

10.11949/j.issn.0438-1157.20161518

TK 124

A

0438—1157（2017）06—2473—10

李棟（1985—），男，講師。

江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(BK20150979)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(15KJB470009)。

2016-10-31收到初稿，2017-03-02收到修改稿。

2016-10-31.

LI Dong, lidong_0307@163.com

supported by the Youth Project of Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20150979) and the Natural Science Foundation of College in Jiangsu Province (15KJB470009).