航院吕存景、冯西桥课题组在液滴撞击动力学研究中取得重要进展

液滴与固体表面的撞击在自然界和生产生活中广泛存在。例如，液滴撞击到荷叶后会快速滚落，荷叶的这种特殊润湿性被称为超疏水。超疏水表面具有自清洁、防雾防霜、抗结冰、高效冷凝等优异特性，在环境、能源、医疗、生物、农业等领域具有广阔的应用前景。然而，在一些情况下，液滴撞击不仅可能导致超疏水功能的失效，甚至导致材料本身的破坏。人们对液滴撞击超疏水表面的动态作用力及其机制这一基本的科学问题至今仍然不清楚，从而制约着超疏水材料的应用。

8月29日，清华大学航天航空学院吕存景副教授、冯西桥教授课题组在期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表了题为“水滴撞击超疏水表面的力”(Impact forces of water drops falling on superhydrophobic surfaces)的研究论文，并被选为“编辑推荐”(Editors’ Suggestion)。该文首次报道了水滴撞击超疏水表面过程中的动态作用力峰值随韦伯数(Webernumber，We)的变化规律，发现在低速撞击情况下(We=9附近)在水滴回弹阶段出现的第二个峰值力居然可以远大于初始撞击阶段的峰值力，这为理解水滴与超疏水表面的动态相互作用以及设计具有高稳定性疏水功能的材料提供了新的视角。同时，《自然》(Nature)期刊将该成果作为研究亮点(Research Highlights)进行了报道，标题为“弹跳液滴撞击的物理原理”(The physics of a bouncing droplet’s impact)。

图1.水滴撞击超疏水表面的液滴形态和作用力：(a)实验装置示意图，(b)水滴形态演化的数值模拟，(c)水滴形态和作用力随时间的演化

该研究通过细致的实验测量和理论分析发现，在撞击过程中水滴与超疏水表面的作用力主要存在两个峰值(图1)。第一个峰值出现在初始撞击阶段，源于撞击过程中水滴动量的快速变化，在大韦伯数下(We> 30)由惯性力主导，而在小韦伯数下(We<30)同时受到惯性力和表面张力的影响(图2a)。第二个峰值源于水滴回缩过程形成的Worthington射流，具有四个特征区间(图2b)：(I)We< 5.3为毛细区，水滴内部震荡行为显著，多峰值出现;(II)5.3< We < 12.6为射流区，撞击过程中液滴内部产生气穴并溃灭，引发高速Worthington射流，导致作用力的第二个峰值远大于第一个峰值(图2c);(III)30< We <100为惯性区，论文揭示了作用力的第二个峰值与水滴在该峰值出现时刻的回缩速度、射流速度以及几何尺寸的定量关系，其中12.6 < We < 30为射流区与惯性区之间的过渡区;(IV)We > 100为飞溅区，撞击过程中水滴破碎导致第二个峰值急剧下降。

图2.水滴撞击力峰值随韦伯数的变化规律;(a)第一个峰值力随韦伯数的变化规律;(b)第二个峰值力随韦伯数的变化规律;(c)气穴溃灭引起的高速射流及作用力;(d)不同韦伯数下撞击力达到第二个峰值时对应的水滴形态;(e)参数定义;(f)第二个峰值力的理论预测、数值模拟与实验结果对比

清华大学航院张彬博士后与吕存景副教授分别为论文的第一作者与通讯作者。清华大学航院冯西桥教授和荷兰特温特大学迪特里夫·罗斯(Detlef Lohse)教授为本工作的合作者。其他作者包括荷兰特温特大学博士生瓦特赛尔·桑杰(Vatsal Sanjay)、清华大学航院史松林博士、2018级博士生赵迎港。该成果得到了国家自然科学基金面上项目、青年项目和国家海外高层次人才引进项目等的资助。

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