高温锯齿表面自推进液滴的动态特性.pdf

2017 年 第 62 卷 第 13 期： 1422 ~ 1429 《中国科学》杂志社 论 文 SCIENCE CHINA PRESS 高温锯齿表面自推进液滴的动态特性 * 朱海涛, 贾志海 上海理工大学能源与动力工程学院, 上海 200093 * 联系人, E-mail: zhhjia@ 2016-05-11 收稿, 2016-09-25 修回, 2016-09-26 接受, 2017-03-09 网络版发表 国家自然科学基金、上海市自然科学基金(11ZR1424800)和教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20103120120006)资助 摘要 利用铝片制备了不同倾角和高度的锯齿状结构表面, 采用高速摄影仪对高温锯齿状表面自推进液滴的动 态行为特征进行了研究. 结果表明, 液滴在锯齿结构表面随温度变化会呈现不同的动态行为, 只有当表面温度达 到Leidenfrost温度时, 才会形成稳定的Leidenfrost液滴和自推进现象. 对于一定几何尺寸的锯齿状结构表面, 随着 其表面温度的升高, 自推进液滴的初始加速度先增大然后减小, 即液滴存在最大加速度及其对应的最佳温度值. 此外, 在相同温度的不同锯齿状结构表面, 当锯齿高度相同时, 锯齿倾角对液滴加速度影响显著, 锯齿倾角越大, 液滴自推进加速度越大, 并且液滴自推进加速度和温度的变化关系与液滴体积无关. 建立了模型对高温表面液滴 自推进现象的动态特征进行了机理分析. 关键词 液滴, 锯齿状, Leidenfrost 现象, 自推进, 加速度 控制液滴的动态浸润特性是近年研究的热点. 的工作. Ok等人[11]考察了微米级锯齿表面上液滴的 一些浸润状态控制方法, 如电学方法[1,2] 、机械振动 自推进现象, 发现液滴在锯齿表面的自推进速度随 [3,4] [5,6] [7] 法 、光化学法 、梯度法 等都得到了众多研究 着锯齿宽度的减小而增加, 并且发现瞬时速度甚至高 者的关注. 近年来, 在利用Leidenfrost现象进行液滴 达40 cm/s. Yang等人[12]进一步研究了具有微锯齿结构 浸润状态的控制研究中, 发现在锯齿状等一些特殊 齿轮的热泳力现象, 发现当达到流体的Leidenfrost点 结构表面可以实现液滴向某一固定方向运动[8], 即液 时产生的作用力可使齿轮旋转, 阐述了该研究用于 滴自推进现象. 搅拌、泵等的工业生产前景. Cousins等人[13]则研究了 对液滴自推进现象的研究激发了众多研究者的 一种具有圆形锯齿结构的圆盘表面Leidenfrost 液滴 兴趣. Linke等人[8]研究了锯齿状热表面液滴的自推 的动态特性, 将直径为3~5 mm 的液滴滴在圆盘靠外 进现象, 发现液滴在毫米级的锯齿状表面上自推进 侧, 液滴会慢慢向中心旋转运动直至完全蒸发, 而 2 , 速度可以保持在5 cm/s. [14]研究了在固体表面由一层复合材料制成 的加速度可以达到1~2 m/s Feng等人 Dupeux等人[9]研究了干冰在锯齿表面自推进运动的 的锯齿结构薄膜,