蜻蜓翅膀表面液滴撞击运动行为研究.pdfVIP

摘要

蜻蜓在雨中飞行不被雨水润湿，这涉及雨滴的撞击和运输。研究水滴对蜻蜓超

疏水翅膀表面的撞击行为，为定向表面的设计提供了思路。同时，考虑到研究中蜻

蜓翅膀静止与现实的不同，进行了液滴撞击平面蜻蜓翅膀和悬臂蜻蜓翅膀表面实

验，来探索液滴撞击蜻蜓翅膀表面撞击运动、流固耦合动力学和单向输运特性。

液滴撞击平面蜻蜓翅膀表面呈现完全反弹。液滴从蜻蜓翅膀底部位置向远端

位置跳跃，表现出定向迁移的特征。液滴撞击过程包括压缩相、恢复相和分离相三

个阶段。在压缩相，液滴撞击形成膨胀片，吉布斯自由能逐渐增大。进入恢复相，

液滴形成反冲片，吉布斯自由能逐渐减小。在分离相，当t＞48ms时，液滴开始反

弹，在液滴在74ms反弹高度达到最大。液滴撞击PDMS仿蜻蜓翅膀表面除部分高

度发生液滴分离外，都是液滴振荡后停留在表面，这和弹性模量影响、黏性损耗、

表面能消耗有关。液滴铺展系数均是先增大后减小。PDMS仿蜻蜓翅膀表面上的

Oh数均大于0.00186，表现为均不会发生反弹。

液滴撞击悬臂蜻蜓翅膀产生变形，液滴撞击后实现单向输运。在冲击阶段，液

滴凸起呈现草帽状，横向铺展直径和截面积增加，基底倾斜角度增大。在扩散阶段，

液滴形成长条形，液滴横向铺展直径基本不变，截面积减小，倾斜角度缓慢增加。

进入反冲阶段，液滴会翅根处滚落。进一步建立液滴撞击壁面应变响应理论模型，

液滴输运时间、翅膀变形量随着撞击高度的增加而增加，最大变形能与实际应变量

变化趋势相同。在液滴-悬臂蜻蜓翅膀相互耦合作用下，液滴势能促进翅膀自适应

变形并下移，弹性能释放，呈现“跳板效应”，恢复到开始的位置。

多液滴撞击时相邻液滴会出现液桥连接和液滴融合现象。相邻液滴的聚合产

生二次液滴。不同水平间距液滴铺展系数先减小后增大，后保持在一个定值左右。

相邻液滴水平间距的减小可以促进液滴铺展系数增加。连续多液滴撞击蜻蜓翅膀

使得液滴反弹，反弹高度及跳跃能变化随着撞击高度的增加而增大，同时，液滴向

更小接触角方向运动，产生迁移。多液滴有聚结效应，液滴容易产生融合，融合液

滴的表面能先迅速减小后增加。液滴自驱动反弹跳跃，主要是液滴势能转化动能

（包括液滴动能和表面的弹动能）和表面能的转化。这些能量的叠加使得液滴反弹

跳跃达到定向输运的效果。

关键词:蜻蜓翅膀，液滴撞击，悬臂，应变量，输运，相互作用

t48ms,

reachingamaximumheightwhenthedropletisat74ms.DropletimpactonthePDMS

imitationdragonflywingsurfacethenoscillatingandstayingonthesurfaceexceptfor

somedropletwillseparatewhichachieveaheight,thisisrelatedtotheeffectofelastic

modulus,viscousloss,andsurfaceenergyconsumption.Thedropletspreadingcoefficient

increasesandthendecreases,andtheOhnumberonthesurfaceofthePDMSdragonfly

wingsisgreaterthan0.00186,meaningnobouncingoccurs.

Dropletimpactdeformsthewingsofthecantilevereddragonfly,andachieve

unidirectionaltransportafterdropletimpact.Duringtheimpactphase,thedropletbulge

takesonastrawhatshape,thelateralspreaddiameterandcross-sectionalareaincrease