摘要
研究超疏水表面上弹跳液滴的基本流体力学特性，并制定相应的控制策略具有非常重要的现实意义。现有的研究工作主要集中在两个方面，一是通过调节表面的湿润性来调控液滴与表面之间的接触时间，可以应用于飞机防结冰、表面自清洁等场景；二是通过调节液滴在撞击过程中的能量耗散来调控液滴撞击后的动力学行为，可以应用于基于液滴反弹的发电装置。 本文通过实验观测、理论分析和数值模拟相结合的方法研究了低韦伯数下纯水液滴在平整超疏水表面和不同顶角（60°、90°、120°）的锥状超疏水表面上的弹跳动力学行为。实验结果显示，在平整超疏水表面上，液滴的接触时间为~11ms，液滴反弹的能量恢复系数为70%-85%。而在锥状超疏水表面上，由于液滴撞击后的持续下落延长了铺展时间，导致液滴的接触时间增大了30%-90%，并经历了几乎反转对称的铺展和回缩过程，而随着锥面顶角的减小，液滴接触时间增大。液滴在锥状超疏水表面上的铺展由惯性力主导，最大铺展系数βmax主要取决于液滴的撞击速度。此外，液滴以更高的能量恢复系数（90%-97%）在锥状超疏水表面上回弹，而现有的边界层理论认为，接触时间的增加会导致更高的能量耗散，因此直接使用边界层理论模型会低估液滴在锥状超疏水表面反弹的能量恢复系数。在本文所选用的锥面顶角范围内（60°、90°、120°），锥面顶角大小对能量恢复系数的影响不明显。 本文通过数值模拟的方法研究了液滴撞击过程中的压强场、速度场、能量转换和粘性耗散。基于数值模拟的结果，分析了液滴在锥状超疏水表面上的能量恢复系数高于边界层理论的预测的原因：在液滴撞击锥状超疏水表面初期，液滴从竖直下落到水平铺展的重定向过程被减弱，边界层的形成受到抑制从而降低了边界层产生的粘性耗散；在之后的铺展-回缩过程中，液滴边缘附近的粘性流动减弱导致粘性耗散降低。此外，通过分析液滴冲击过程的粘性耗散分布，验证了液滴冲击过程中的能量耗散主要来源于边界层产生的粘性耗散这一观点。
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