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液滴在超疏水平/曲面上的碰撞运动特性研究

摘要

在自然界和工程科学领域中，液滴与固体壁面碰撞是一种广泛存在的现象，

例如雨水落在植物叶片上、农药喷洒、涂层防水等。超疏水表面具有卓越的疏

水特性，因此具备了自我清洁和抗腐蚀的特点和防结冰等优点，液滴在与其碰

撞后往往会反弹、破碎或者飞溅。

本文使用相场方法来模拟液滴撞击超疏水壁面，通过建立二维轴对称模型

模拟液滴撞壁，使用COMSOL软件进行分析处理。研究液滴撞击平曲面的运动

形态，得到了在不同初始条件下液滴撞击壁面后铺展、反弹、回缩及破裂的运

动形态；通过对液滴周围流场分析，得出液滴发生不同形态过程的分析。

本文通过改变初始条件对结果进行了分析，结果表明：通过改变液滴的初

始速度，当初始速度变大，液滴撞击壁面的铺展程度及液滴在壁面上摊开最大

程度的时间也会随之增加，与此同时液滴达到铺展程度所需要的时间也会增加，

液滴第一次达到中心液膜的高度会变小，同时中心液膜振荡的高度会增大。液

滴的初始速度和壁面接触角保持不变时，通过增大曲面的曲率比时，液滴达到

最大铺展程度的时间增大，液滴铺展的时间同时变大，中心液膜高度达到最大

的时间变小。经过模拟实验，发现当液滴开始蔓延到一定程度时，液滴中央上

表面的曲率会增加，导致液滴内部的压力差增大。随着We数的增大，液滴破裂

的次数也随之增加，液滴变形明显。

通过模拟的优势在设置探针的方法下对液滴周围流场进行捕捉，对液滴撞

击超疏水表面的压力场及速度场进行分析。发现在撞壁初始阶段以及回缩阶段

液滴的环状边缘重新汇聚时，内部压力较大，速度值也显著增加，高于撞击速

度。此外，液滴回缩阶段的平均速度高于铺展阶段。

超疏水壁面由于其特殊的润湿性可以应用在各个工程领域，便于有效延迟

水滴的停留时间，从而延时结冰时间等，有效缓解由于结冰带来的问题和影响。

目前对超疏水曲面的研究较少，本篇论文通过研究平/曲面在不同条件下结果等

进行详细分析。

关键词：超疏水壁面；液滴撞击；最大铺展系数；曲率比；中心液膜

-I-

Characterizationofcollisionalmotionofliquid

dropletsonsuper-sparsehorizontal/surfacesurfaces

Abstract

Thecollisionofliquiddropletswithsolidwallsisawidespreadphenomenonin

natureandengineeringsciences.Examplesincluderainfallingonplantleaves,

pesticidespraying,andwaterproofingofcoatings.Superhydrophobicsurfaceshave

excellenthydrophobicityandarethereforeself-cleaningandcorrosion-resistant,as

wellasanti-icing,anddropletstendtobounce,breakorsplashonimpact.

Inthispaper,thephasefieldmethodisusedtosimulatethedropletimpactonthe

superhydrophobicwall,andatwo-dimensionalaxisymmetricmodelisbuiltto

simulatethedropletimpactonthewall,whichisanalyzedandprocessedbyCOMSOL

software.Themotionmorphologyofdropletimpactonflatsurfaceisstudied,andthe

motionmorphologyofspreading,rebound,retractio