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电子科技大学邓旭教授/陈龙泉教授团队:粘度增加也可以促进液滴飞溅? ... ...

2020-1-13 15:35| 发布者: 肥仔拳| 查看: 240| 评论: 0|来自: 高分子科学前沿

摘要: 背景介绍液滴在固体表面的撞击是最普遍的毛细现象,在过去的一个世纪中,科学家们已经进行了广泛的研究。然而,直到近些年,得益于快速成像技术的发展,这种瞬态自由表面流动才得到详细的描述。根据撞击条件,撞击液 ...

背景介绍
液滴在固体表面的撞击是最普遍的毛细现象,在过去的一个世纪中,科学家们已经进行了广泛的研究。然而,直到近些年,得益于快速成像技术的发展,这种瞬态自由表面流动才得到详细的描述。根据撞击条件,撞击液滴的结果可能是常规沉积,各种形式的反弹,或飞溅。其中,液滴飞溅,即小液滴的破裂和喷射,不仅是一个跨越大范围长度和时间尺度的有趣的科学问题,而且涉及许多工业过程的关键技术。在某些应用中,例如喷墨打印,和农药沉积,飞溅对控制液滴沉积不利,需要消除; 而对于喷雾冷却和内燃机,飞溅又是一种有益的现象。因此,了解飞溅的物理机制,寻找控制飞溅发生的参数或策略具有重要意义。
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尽管关于飞溅的起源存在着激烈的争论,但人们普遍认为,由于较大的粘性耗散,增加液滴的粘度可以有效地延迟甚至抑制飞溅。近日,电子科技大学基础与前沿研究院邓旭教授与物理学院陈龙泉教授合作,在增加部分液滴粘度的情况下,发现了液滴飞溅现象的反常促进效应。相关论文发表在Advanced Science上,第一作者为电子科技大学基础与前沿研究院博士生于凡斐
图文速递
本文提出的这种新的液滴飞溅促进效应,通过引入一个高粘性度液滴来促进低粘度液滴的飞溅和不稳定性。与单相液滴碰撞不同的是,由于碰撞过程中不同的扩展和收缩动力学,碰撞Janus液滴在整个碰撞过程中呈现出不对称的形态。

图1.通过向水滴中引入高粘度甘油,构建Janus(甘油/水)液滴,实现水滴的飞溅现象的促进效应。a)实验装置图。b-d)分别为水、95 wt% 甘油、Janus液滴在超双疏表面的撞击现象。e-h)单相液滴与Janus液滴撞击过程中不同的铺展及收缩过程。
在该过程中,粘度比的阈值对于液滴飞溅现象有重要影响。系统实验证明飞溅阈值速度随粘度比的增加而降低。

图2. Janus液滴粘度比(高粘度部分/低粘度部分)对液滴飞溅现象的影响。a)撞击速度与粘度比的相图。b)不同速度与粘度比下,液滴在超双疏表面的最大铺展形貌。
通过理论分析和数值模拟,证明了剪切力引起的界面变形是液滴飞溅现象得以促进的原因。高粘度组分施加的粘性剪切力增强了低粘度组分的扩散,从而产生飞溅现象。并且甘油部分粘度越高,甘油/水界面的变形越强。甘油的偏移占据了固液表面附近水部分的扩散空间使得上部流体更容易朝向水部分沿水平方向加速铺展。该结果还导致了撞击过程中水部分的瑞利不稳定性。

图3. Janus液滴飞溅得以促进的机理和理论模型。a)不同冲击速度下,Janus液滴水部分扩散半径r随时间的变化规律。b) 不同冲击速度下,Janus液滴甘油部分扩张半径r的时间变化规律。c-d) Janus液滴水部分和甘油部分的最大铺展面积与撞击击速度(v)的关系。e) 在1.2 m/s的速度下,Janus液滴 ()撞击前期铺展过程的侧视动力学。插图显示甘油/水边界的细节。蓝线表示液体的截面。f)液滴撞击过程中液体运动理论模型示意图。黑色箭头表示该点的流场方向。g) Janus撞击超双疏表面流场模拟结果。

图4 液滴铺展最大时,不同粘度比Janus液滴水部分边缘波纹数与冲击速度的关系图。
文中还指出,当粘度比和冲击速度足够高时,水份几乎可以与Janus液滴的甘油部分完全分离。我们将此现象归因于Janus液滴两部分高粘度比所导致的动能的巨大差异。

图5.液滴分离现象。
值得注意的是,不同与以往抑制液滴飞溅的研究,我们的工作可能在加速液滴飞溅的过程中具有广泛的适用性。该发现可以扩展到喷溅控制良好有利的应用领域,包括喷墨打印、农药沉积、和喷雾冷却过程。

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