V型槽棱角对液滴弹跳强化机理的研究

摘要

超疏水表面上的液滴合并诱导弹跳现象在冷凝传热、除霜防冰、自清洁等领域具有广阔应用前景.先前研究表明,液滴弹跳速度遵循毛细-惯性标度定律,无量纲弹跳速度vj*≤0.23,自弹跳过程效率低下,能量转化率η≤4%.为研究微尺度表面结构对液滴弹跳的影响,突破跳跃速度限制并诱导液滴扫掠,提高液滴清除效率,设计制备了棱角β=135°和β=90°的V型槽超疏水表面.利用高速显微技术记录了两种V型槽表面上液滴聚合过程中的形态演化.实验结果表明,两种V型槽表面都突破了平壁表面的毛细-惯性标度定律,无量纲最大弹跳速度分别为vj*=0.51和vj*=0.61,跳跃方向与表面法线最大夹角分别为36°和60°.与β=135°相比,β=90°的V型槽具有更高的面内速度,有利于提高液滴扫掠效率,清除更多凝结液滴.使用格子玻耳兹曼方法数值模拟合并液滴动力学,包括合并期间液滴速度和基底驱动力的演变,以及液滴内部压力分布和瞬时速度矢量.此外,利用仿真数据计算液滴合并过程中的不同方向液体动量,以及液滴总动能、弹跳动能和振荡动能.仿真结果表明,V型槽的β=90°槽角诱导液滴在收缩过程中的两侧液体回流方向,从几乎相向改变为趋近合并液滴弹跳的同一方向.β=90°槽角抑制了水平方向的液滴振荡,降低了黏性耗散,使更多过剩表面能转化为弹跳动能.