液滴撞击超疏水壁面运动特性可视化实验研究

液滴撞击超疏水壁面运动特性可视化实验研究

液滴撞击壁面的动力学特性液体滴注和固体壁面攻击不仅常见于自然界，而且是现代工业中最常见的现象之一。例如，喷雾剂、农药喷雾剂、喷雾剂、空气分离、燃料喷雾剂等。近年来,由于特有的疏水特性使得超疏水材料得到了快速发展,并广泛应用于化工工业、生物、医学、防水自净、微纳系统、防腐蚀、新型材料等领域。因此,研究者们展现出对超疏水壁面上液滴撞击行为演变和动力学特性等研究的极大兴趣。WorthinGton首次通过实验研究了液滴撞击固体壁面的行为演变及动力学特性,开启了人们对液滴撞击固体壁面这一复杂过程的认识和兴趣。液滴撞击壁面后形态的演变过程受到众多因素的耦合作用影响,如壁面粗糙度、撞击角度、壁面结构、壁面温度、液体物性、液滴速度等,对这些因素的深入研究是揭示液滴撞击壁面的动力学特性及规律的关键。Wang等研究了液滴撞击在由碳纳米管阵列构成的超疏水壁面上的动力行为,并解释了液滴撞击静态接触角为163°和140°的壁面后分别呈现反弹和黏附两种现象的原因。Jung等分析了壁面几何结构参数与液滴撞击速度对撞击行为的影响,并基于以上各参数提出了划分Cassie状态和Wenzel状态的准数。Li等通过实验分析了壁面温度对液滴撞击疏水及超疏水壁面行为的影响,发现液滴撞击由硅管修饰的超疏水壁面后,会残留一层薄液膜的现象。隋涛等从能量角度分析了液滴在具有微圆柱结构表面上的状态转变,得到了不同参数表面,液滴状态转变时所需能量势垒与液滴体积间的关系。王松岭等研究了液滴在活性剂梯度和温度梯度协同作用下的铺展过程。Hung等研究了液滴撞击不同固体壁面的润湿速度。由于可视化手段的局限,目前的研究大多针对液滴撞击壁面后附着在壁面上的形变行为,而较少有关于液滴撞击超疏水壁面后空中运动形态及对液滴高速撞击壁面后形成的液指、卫星液滴的描述和分析。本文利用光学原理,通过高速摄影仪对液滴撞击超疏水壁面进行正面和底面的同步拍摄,获得了液滴撞击后在壁面及空中的动态演变过程,讨论了液滴速度对撞击行为的影响及液滴高速撞击超疏水壁面所产生的多组卫星液滴特性。1液滴撞击实验液滴撞击超疏水壁面的实验系统如图1所示。实验用超疏水壁面通过在薄玻璃片(5.4mm×76.2mm×1mm)上均匀涂刷纳米氟硅溶液制得,通过躺滴法测得其静态接触角为156°。图2为所制超疏水表面的SEM图像,其放大率为20000倍;如图所示,由纳米氟硅溶液在玻璃表面形成纳米尺度的多孔层以及大部分憎水性基团(氟烷基)占据空隙外层,使得玻璃片具有超疏水的特性。实验过程中,不同工况下均采用相同的超疏水表面。实验中,去离子水由自动微量注射泵(DSP-2)注入固定在导轨上的微量注射器,在缓慢均匀的液体流速下,液滴在重力与表面张力的平衡作用下处于准静态,因此其滴落时的体积只取决于注射针头的外径尺寸,保证了不同实验工况条件下可产生相同直径的液滴。液滴的撞击过程采用高速摄影仪(PhantomV5.1,分辨率为400×900PPI和512×900PPI,拍摄速率为2400fps)进行记录,拍摄的图像通过数据采集卡实时传输到计算机,所拍摄图片通过Matlab软件处理成灰度图,再进行二值化提取出液滴边界像素点,通过像素点拟合的方法求取三相接触角。拍摄时,设置有正面及底面两个光源,其中正面光源、液滴撞击点、高速摄影仪呈同一水平直线布置;底面光源处于撞击点的正上方,根据镜面反射原理,充分利用摄影仪的视场,在同一图像上同时记录了液滴撞击壁面时形变过程的正面及底面图像。实验中,在液滴撞击点的相同景深处放置标尺,确保后期数据处理的精度,每组实验反复进行多次,测量误差控制在5%以内。2结果与讨论2.1液滴表面能耗散能及纵向回缩过程图3为液滴以0.48m·s-1速度撞击超疏水固体壁面的动态过程。由于低速下空气对液滴的剪切力可以忽略,因此在撞击壁面前,液滴一直保持规则的球形形态(0ms)。液滴撞击壁面后在惯性力作用下,克服了壁面动摩擦力及黏附力沿径向延展,并逐渐运动至最大铺展直径(2.5ms)后形成液膜。取液滴下落到刚接触固体表面时进行分析,液滴的重力势能完全转化为液滴的动能,且液滴下落过程中形状不变。因此,初始时刻(0ms)液滴具备的总能为动能和初始表面能之和。在液滴铺展过程中,液滴的动能将逐渐转化为液滴表面能以及铺展过程中的耗散能;当达到最大铺展直径时,液滴的动能为零,液滴所具备的表面能远大于静止液滴在相同表面上铺展终态时所具备的表面能,液滴处于不平衡状态,液滴将向表面自由能减少的方向运动。进而,液滴将在表面张力驱使下克服壁面动摩擦力及黏附力回缩。在此过程中,液滴表面能将转化为液滴的动能和耗散能,当这部分转化的能量大于回缩过程中能量的耗散和液滴初始表面能之和时,多余的能量将使液滴从壁面反弹。在铺展过程中,液膜底面图像在中心出现颜色不同的环状亮斑,这是由于液膜在气液接触面处的曲率不同,因此对入射光线折射的影响不同,颜色较深部分液膜曲率较大,反之,液膜曲率较小;由此可知,液滴铺展过程液膜沿径向方向以表面波的形式传递。当达到最大铺展直径时,液滴外延的厚度将高于临近液膜,此时,液滴内部产生的非平衡静压有利于液膜的回缩。随着回缩运动的继续进行,受表面张力及周围液体的挤压,在液膜中心处出现圆滑的凸液柱(7.5ms),随后逐渐形成保龄球瓶形(10.0ms);此时液滴在表面张力和惯性力作用下保持上升运动趋势,由于壁面对液滴的黏附力将阻止液滴底部脱离壁面,而液滴上部的自由液面将持续上升,使得液滴逐渐拉伸成液柱的形态,在表面张力与壁面黏附力的耦合作用下,液滴被拉长至纵向最大长度(12.5ms),最终液滴反弹脱离壁面(15.0ms)。脱离后液滴在重力及表面张力作用下继续运动,表面张力驱使液滴向表面能最小的形态转变,因此,液滴纵向长度逐渐缩短(17.5ms)。又因为惯性作用,液滴并不会直接转变成稳定的球状,而是形成左右对称,并沿水平和垂直方向反复振荡,类似蠕动的运动方式上升(20.0ms)。当液滴上升至最高点,其动能完全转变成重力势能、表面能以及耗散能,液滴在重力的作用下再次以蠕动形式下降,撞击壁面。2.2液滴撞击的运动特性图4给出了液滴以不同速度撞击超疏水壁面的动态演变过程。当速度为0.91m·s-1时[图4(a)],液滴撞击壁面后快速向四周铺展,形成液膜的铺展直径增大,厚度减薄,三相接触界面不再呈现清晰规则的圆形(2.5ms)。这主要是因为随着冲击速度的增大,三相接触线向外移动的速度增大,造成空气进入液体中,产生空气夹带;接触线向外扩展的速度出现不均匀,圆滑的接触线出现类似锯齿的形态,这种现象随着液滴冲击速度的增大而更加明显。当液滴达到最大铺展直径后,在表面张力作用下回缩,液膜中心出现的凸液柱上升的速度比液滴撞击速度为0.48m·s-1时更为迅速,这主要是随着液滴冲击动能的增大,转换成液滴的表面能也越大,回缩过程中更多表面能的转换使得液滴自由液面流动加剧,形成一个类似圆锥的形状。由于锥形顶端的流动较为迅速,使得顶端的流体出现断裂并形成一个形态较小的次生液滴,以较快速度脱离主体液滴(12.5ms)。而主体液滴则仍以蠕动形态上升,由于撞击动能的增加使得液滴在上升过程中形变振动幅度明显增大,且液滴形状逐渐偏离轴对称体。随着撞击速度增大至1.33m·s-1和1.86m·s-1[图4(b)、(c)],液滴撞击壁面后快速铺展成中部较为平坦的薄液膜,边缘则形成锯齿形态的快速铺展,出现若干形态较为相似的液指(2.5ms),铺展液膜的最大直径增大,使得驱使液膜回缩的表面能增大。当液膜回缩后,液滴仍基本呈现为圆锥体,但随冲击速度的增大,其形态的对称性变差。撞击速度为1.33m·s-1的液滴在反弹上升过程中形成了不对称锥体,形成的锥角更小,锥形顶端到底面的距离也随之增大,在t=15ms时,靠近顶端的锥形液柱快速拉伸并逐渐演变成项链状[图4(b),15ms],最后生成多个次生液滴并脱离液滴主体[图4(b),17.5ms];而速度为1.86m·s-1的液滴由于撞击的脉动使得三相接触线上形成非均匀回缩现象,出现几个比较粗大的液指[图4(c),5ms],回缩后的液滴虽然中间仍出现尖锐液柱,但液滴此时呈现为一不规则体[图4(c),7.5ms],这使得该液滴反弹至空中后由于其界面形变的不规则性加剧,使得液滴顶部表面张力的合力不再平行于液滴撞击壁面的垂直方向,造成液滴顶部的伸长方向偏离垂直方向,而不再出现高度方向上的极度拉伸;但是由液滴的紊动而分离出的二次液滴与液滴伸长的方向保持同一方向。当液滴撞击速度进一步增大时[图4(d)、(e)],液滴撞击壁面后迅速铺展成直径较大、中心薄边缘厚的液环,边缘处形成的液指随着撞击初始速度的增大而迅速出现,且液指顶端脱离出诸多卫星液滴(2.5、5ms)。在液滴能量转换过程中,一部分能量被脱离的卫星液滴带走,并且由于液滴铺展直径较大,回缩过程中能量耗散也加剧,在回缩过程中形成明显的拉丝现象,并断裂成若干小液滴,从而导致回缩液滴体积减小,且呈现极度不对称形态;由于卫星液滴的脱离带走了更多的动能,且回缩过程的耗散能增加,因此残留的液滴主体的表面能向动能的转换减少,导致其反弹高度有所降低。值得指出的是,当液滴撞击速度高于1.86m·s-1后,尽管撞击速度增加,但在液滴铺展时间达到2.5ms时,几组液滴均铺展至最大直径。液滴撞击超疏水壁面的特性演变随撞击速度的增大表现出规律性的变化。当液滴体积一定时,可用Weber数(We)来表征液滴的撞击速度,因此引入量纲1参数进行表征,其中,σ、ηs、ρ、D0、v分别为液滴的表面张力、运动黏度、密度、直径及撞击速度。此外,定义液滴最大铺展因数(液滴最大铺展直径与初始直径之比)βmax=Dmax/D0以表征液滴的形变。图5为液滴最大铺展因数随初始Weber数的变化规律,由图可知,随液滴初始Weber数的增大,液滴的最大铺展因数呈指数增长。对比图4可发现,当液滴We>200后,液滴在铺展过程中周边产生明显的不规则液指,在液指顶部分离出卫星液滴。由于所产生的液指及所脱离卫星液滴的随机性,导致液滴回缩及反弹时呈现非轴对称形状。图6为液滴铺展及回缩时三相接触线速度随初始速度的变化规律。由图6可知,液滴在铺展过程中三相接触线的前进速度在初始速度较小时增长缓慢,之后随着初始速度的增加而快速增大。而回缩阶段三相接触线的回缩速度在一定初始速度范围内均增长缓慢,当初始速度大于2.0m·s-1后才快速提高,之后又趋于稳定。此外,在相同液滴初始速度下,三相接触线前进速度的变化率要大于回缩速度的变化率。这是因为液滴在回缩时,已经有一部分动能转变为耗散能,用以克服在之前铺展过程中的壁面黏附力及阻力。图7为不同速度下液滴撞击超疏水壁面后前进角随时间的变化过程。从图可以看出,液滴撞击超疏水壁面铺展时的前进角先增大,然后趋于平缓,但其始终小于静态接触角,且前进角随液滴初始We的增大而减小。液滴撞击固壁过程中,表观动态前进接触角变化与在固壁上滴放一个液滴,使其铺展时,测量的动态接触角呈现的规律不同,这主要是因为撞击过程中,液滴的气液固界面的形变导致三相接触线附近的气液界面扰动较大;在大的冲击速度下,液滴铺展的初始阶段,液滴的惯性力占主导地位,固壁对液滴的黏性剪切影响较小,因此,液滴底部扩展速度高于液滴主体铺展的速度,导致三相接触线附近的气液界面与固液界面的夹角变小。随着铺展速度的降低,黏性剪切的影响逐渐增大,使得气液界面与液固界面的夹角逐渐增大,并趋于稳定。2.3液膜边缘液指的变化液滴高速(We>200)撞击超疏水壁面时,在铺展和回缩过程中会产生多组卫星液滴,按其形成的阶段可以分为三组,如图8所示。其中v1箭头、v2箭头分别指示卫星液滴和液膜边缘绝对运动速度的方向。在液滴刚刚撞击壁面初期,边缘立即溅射出体积在10-3μl左右的第一组卫星液滴[图8(a)],此时卫星液滴及液膜边缘的速度方向均沿液膜径向,背离圆心。随着铺展的进行,液膜边缘出现明显的液指,液指逐渐增长,在液指顶端分离出第二组体积在3.5×10-2μl左右的卫星液滴[图8(b)],此时卫星液滴及液膜边缘的速度与第一组时的情况相同。前两组卫星液滴是由于液滴横向铺展的动能以表面波的形式传递至液膜边缘,使液膜边缘动能剧增,产生液指。液指逐渐增长,并在Plateau-Rayleigh不稳定性作用下产生卫星液滴溅射出去。实验中所有工况均采用相同的超疏水表面,因此,液滴撞击壁面后所形成的液指和卫星液滴等现象的变化规律主要由液滴的撞击速度决定。在液滴回缩过程中,相邻的两个液指发生聚并,形成的新液指继续聚并,直至液指回缩成团,反弹脱离壁面。如图9所示,液膜边缘液指1、2在回缩阶段逐渐靠拢,最终聚并成新的较大的液指3。液指在聚并回缩过程中,在其颈部由于弯液面的附加压力作用,使得颈部逐渐变细,最终断裂;因此在其顶端生成第三组卫星液滴[图8(c)],该组卫星液滴体积在8.5×10-2μl左右。第三组卫星液滴速度方向与前两组相反,由图可知,其运动方向沿液膜径向,指向液膜中心。3卫星液滴产生及大小本文进行了液滴在不同速度下撞击超疏水壁面的可视化实验。实验结果表明,随液滴撞击速度增大,液滴在铺展、回缩及反弹中的形变