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香港城大朱平安、柴愚《Newton》：熱液滴的自潤滑彈跳
2025-03-07  來源：高分子科技

  液滴彈跳是一種關(guān)鍵現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于自清潔、抗冰、熱傳遞和能量收集等領(lǐng)域。以往的研究主要集中在通過表面工程改變彈跳行為上，而對液滴復(fù)雜性的影響了解較少。近日，香港城市大學(xué)機(jī)械工程系朱平安課題組和物理系柴愚課題組合作報(bào)道了高溫液滴（由正十六烷、大豆油和硅油組成）在冷固體表面上的彈跳增強(qiáng)，涵蓋了燃燒和非燃燒狀態(tài)。其研究闡明了馬朗戈尼效應(yīng)在液滴自然冷卻過程中所起的關(guān)鍵作用，該效應(yīng)使氣膜增厚，從而增強(qiáng)彈跳。這與室溫液滴彈跳過程中持續(xù)的氣膜壓縮、萊頓弗羅斯特液滴懸浮中外部加熱對氣膜的增強(qiáng)，或熱水滴因蒸汽凝結(jié)而導(dǎo)致的氣膜崩潰形成鮮明對比。液滴的彈跳增強(qiáng)為進(jìn)一步應(yīng)用開辟了新途徑，例如，通過實(shí)現(xiàn)燃料液滴的持續(xù)燃燒來提高效率，并有助于開發(fā)能夠抵御燃燒液滴的阻燃涂層。相關(guān)工作以Self-lubricated bouncing of hot droplets為標(biāo)題發(fā)表在Newton創(chuàng)刊號(hào)上。



燃燒液滴的彈跳增強(qiáng)


  圖1展示了燃燒液滴（指點(diǎn)燃后可見火焰的高溫液滴）相比于室溫液滴（指未點(diǎn)燃的室溫液滴）表現(xiàn)出增強(qiáng)的彈跳能力。在接觸角為 5.0°、表面粗糙度為 55.92 納米的劃傷玻璃表面上，室溫液滴在碰撞時(shí)立即粘附于表面，而燃燒液滴則在仍有火焰存在的情況下彈跳。這一彈跳增強(qiáng)現(xiàn)象被證明是普遍的，并且與表面類型無關(guān)，甚至擴(kuò)展到劃傷或納米結(jié)構(gòu)的超親水表面，在這些表面上，室溫液滴無法實(shí)現(xiàn)彈跳。


圖1 燃燒液滴的彈跳增強(qiáng)


影響液滴彈跳的因素


  燃燒液滴的彈跳行為在不同表面上表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)，其臨界韋伯?dāng)?shù)分別為 3.9 和 2.4，分別對應(yīng)亞克力和光滑玻璃表面，明顯高于室溫液滴的 1.5 和 0。當(dāng)接觸角小于 120°時(shí)，燃燒液滴在韋伯?dāng)?shù)約為 1 時(shí)從彈跳轉(zhuǎn)為粘附，而在更大的接觸角下，這一值上升到超過 10。通過計(jì)算研究得出加熱空氣的浮力效應(yīng)可以忽略，且實(shí)驗(yàn)顯示燃燒對液滴彈跳的影響微小，火焰熄滅和蒸汽凝結(jié)會(huì)形成液體橋，抑制彈跳。同時(shí)，高溫液滴（非燃燒狀態(tài)）同樣表現(xiàn)出增強(qiáng)的彈跳，臨界韋伯?dāng)?shù)隨著液滴溫度的升高而增加，強(qiáng)調(diào)了液滴溫度和氣膜動(dòng)態(tài)的重要性。


圖2 高溫液滴彈跳增強(qiáng)的臨界條件


氣膜的演變


  氣膜的持續(xù)性對液滴彈跳至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)顯示，燃燒液滴的氣膜在撞擊過程中更穩(wěn)定，而室溫液滴的氣膜在 1.0 毫秒內(nèi)迅速崩潰。燃燒液滴和 120°C 高溫液滴（非點(diǎn)燃狀態(tài)）在撞擊時(shí)則保持氣膜的存在，且干涉條紋顯示出多個(gè)氣囊，表明氣膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜。盡管高溫液滴可能釋放蒸汽，但研究表明其對氣膜厚度的影響微乎其微。通過潤滑近似法估算氣體排出速度，發(fā)現(xiàn)蒸汽釋放流量與氣膜擠壓流量的比率極。s為10-6到 10?8），確認(rèn)蒸汽生成對氣體排出速度的貢獻(xiàn)可忽略。因此，高溫液滴的彈跳增強(qiáng)機(jī)制與萊頓弗羅斯特效應(yīng)顯著不同。


圖3 撞擊過程中液滴的氣膜演變


馬朗戈尼效應(yīng)導(dǎo)致的自增厚氣膜


  在高溫液滴的撞擊過程中，氣膜在擴(kuò)展和回縮階段持續(xù)增厚，這與室溫液滴彈跳時(shí)氣膜收縮的傳統(tǒng)觀察不同。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，高溫液滴撞擊過程中氣膜中存在多個(gè)氣囊，最大厚度位于氣膜中心之外。高溫液滴底部溫度較低，導(dǎo)致液體內(nèi)部產(chǎn)生熱毛細(xì)對流，主要由馬朗戈尼效應(yīng)驅(qū)動(dòng)。熱毛細(xì)流從水滴邊緣向中心流動(dòng)，形成渦旋，增強(qiáng)氣膜的厚度，進(jìn)而提升液滴的彈跳能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這一現(xiàn)象，顯示帶有馬朗戈尼效應(yīng)的高溫液滴能夠有效彈跳，而室溫液滴則無法彈跳。此外，蒸汽凝結(jié)對液滴的撞擊動(dòng)態(tài)有顯著影響。熱水滴粘附于固體表面，而低揮發(fā)性液體則表現(xiàn)出良好的反彈性。對于揮發(fā)性液體，快速形成的凝結(jié)液滴會(huì)導(dǎo)致氣膜崩潰，解釋了不同液體在彈跳動(dòng)態(tài)上的差異？偟膩碚f，自增厚氣膜和熱毛細(xì)流是高溫液滴彈跳增強(qiáng)的關(guān)鍵機(jī)制。


圖4 氣膜增厚機(jī)制


應(yīng)用前景


  研究表明，使用具有小結(jié)構(gòu)和良好液體排斥性的表面能夠顯著增強(qiáng)燃燒液滴的彈跳性能。這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)能夠有效排斥燃燒液滴的功能性表面提供了新的思路，潛在應(yīng)用包括提高燃料的燃燒效率和開發(fā)防火涂層。在燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中，噴油液滴的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致“池火”現(xiàn)象，降低燃燒效率。通過在銅板上涂覆液體排斥納米粒子，并加熱至100°C，實(shí)驗(yàn)顯示液體排斥表面上的燃燒液滴能持續(xù)燃燒近9500毫秒，遠(yuǎn)超原始表面的36毫秒。這種改進(jìn)的燃燒效率在多個(gè)液滴撞擊同一位置時(shí)依然有效。此外，燃燒液滴與冷液體排斥表面之間的氣膜起到了良好的熱絕緣作用，使液體排斥表面成為開發(fā)防火材料的理想選擇。實(shí)驗(yàn)還表明，液體排斥涂層能有效減少燃燒液滴與聚乙烯薄膜的接觸面積和接觸時(shí)間，從而保護(hù)底層材料不受損傷。


圖表5 燃燒液滴反彈的應(yīng)用


  本研究表明，高溫液滴在多種固體表面上表現(xiàn)出增強(qiáng)的彈跳現(xiàn)象，這是一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象，主要依賴于液滴的狀態(tài)，而與表面特性無關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，燃燒液滴的火焰對彈跳動(dòng)力學(xué)影響微乎其微，彈跳增強(qiáng)主要?dú)w因于液滴的高溫。自發(fā)生成的熱毛細(xì)流在加厚潤滑氣膜方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，從而防止液滴與表面直接接觸。此外，彈跳增強(qiáng)現(xiàn)象適用于低揮發(fā)性熱液體，如n-十六烷、硅油和大豆油，而揮發(fā)性熱水則因蒸汽冷凝引起的潤濕效應(yīng)而表現(xiàn)出抑制的彈跳。研究預(yù)計(jì)將激勵(lì)進(jìn)一步探索液滴的溫度分布及其復(fù)雜性對彈跳動(dòng)力學(xué)的影響，從而擴(kuò)展液體排斥涂層的應(yīng)用。


  論文第一作者為香港城市大學(xué)機(jī)械工程系博士后研究員劉玉芳博士和博士生鄭雨桐，通訊作者為香港城市大學(xué)機(jī)械工程系助理教授朱平安和香港城市大學(xué)物理系助理教授柴愚。


  近年來，朱平安團(tuán)隊(duì)致力于深入系統(tǒng)研究復(fù)雜液滴撞擊壁面動(dòng)力學(xué)，這是繼發(fā)現(xiàn)空心液滴回彈抑制（Nat. Commun. 2023, 14, 5386）與含固體顆粒液滴超快反彈（Nat. Commun. 2024, 15, 9943）現(xiàn)象的第三篇系列工作。課題組常年招收全獎(jiǎng)博士研究生，研究方向包括但不限于微流控、表面浸潤性、微納制造、軟體機(jī)器人、流體傳熱等，歡迎有興趣的同學(xué)致郵(pingazhu@cityu.edu.hk)。詳情參見課題組主頁：https://pinganzhu.wixsite.com/mecityu/opportunities ; 或https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/pingan-zhu(feb16646-787c-4c97-aa58-71f46cc3aaaa)/opportunities.html


  論文信息

  Liu, Y., Zheng, Y., Zhou, Y., Zhao, W., Li, Y., Tang, S., Wang, C., Wang, S., Chai, Y., Zhu, P. (2025). Self-lubricated bouncing of hot droplets. Newton, 1(1), 100014. 

  https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100014

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