作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 实验方法和固着液滴
(一)二元液滴撞击超重物体表面的实验装置示意图
针被固定以设定Z方向上的冲击高度以及固着的和冲击的液滴之间的相对距离
固着液滴首先沿YZ平面居中
然后，在用照相机2监控撞击的同时，从针上分配撞击液滴
摄像机1用于确定液滴在X方向上的相对位置
摄像机和光源对准，观察XZ和YZ平面上的撞击
插图:(1)煤烟模板表面在两种放大率下的扫描电镜图像
(二)停留在超重质表面上的十六烷滴(体积≈ 3微升)
橙色轮廓是等式的解
1表示相应的焊接编号Bo = 0
三
(三)共焦图像显示一滴十六烷在超重质表面上
该图显示了液滴与表面的表观接触角(θapp≈164°)
图像是在反射模式下拍摄的
e
没有向十六烷中加入染料
光的反射是由十六烷(1
43)、空气(1
0)，以及玻璃和二氧化硅(~1
46)
超重质层主要由空气组成，因此其折射率接近1
因此，水平玻璃-超重质层和十六烷-超重质层界面是可见的
超加重层本身是可见的漫射图案，这是由二氧化硅纳米粒子的光反射造成的
显示偏离中心碰撞的图像
冲击参数为χ = d/(2R)
图片来源:奥林卡·拉米雷斯-索托，马克斯·普朗克高分子研究所
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aba4330 在内燃机和喷雾等日常技术中，以及在雨滴和云形成等自然过程中，碰撞液滴无处不在
碰撞结果取决于撞击速度、排列程度、表面张力的内在特性和低润湿表面
在《科学进展》的一份新报告中，奥林卡·拉米雷斯·索托和一组科学家在德国、荷兰和美国从事聚合物研究、流体动力学、化学和材料工程
S
研究了油滴撞击超重力表面上相同固着液滴的动力学
超疏水性表面类似于超疏水性(防水性)，尽管它可以排斥极性和非极性液体
利用数值模拟，研究小组重现了反弹场景，以量化实验装置中的速度分布、能量传递和粘性耗散
这项工作显示了撞击速度对超重力表面上油滴碰撞反弹动力学的影响
调查跌落冲击 当一个液滴撞击一个相同液体的固着液滴时，直观的预期是两个液滴聚结或结合
这一过程常见于雨水和漏水的水龙头滴下的水滴，但有时两滴水滴之间的一层薄薄的空气可以让水滴从亲水(亲水)表面完美反弹
在19世纪，科学家和工程师奥斯本·雷诺兹首次记录了水滴在水池中的滑行运动，并将其归功于这一现象
蒸汽层也是雷登弗罗斯特效应的类似原因，即水滴悬浮在过热的表面上
尽管实验表征了撞击动力学，但缺乏定量模拟速度场和能量传递的方法
目前，超重力表面上的水滴撞击研究受到设计非湿表面的有限技术的阻碍
因此，重要的是要了解是什么情况决定了油在超重力表面上的逐滴冲击，以及能量是如何在液滴之间传递的
在这项研究中，拉米雷斯-索托等人
实验和数值研究了低表面张力油滴撞击静止在超重力表面上的相似组成的固着液体的动力学
研究小组展示了撞击的油滴是如何将静止的油滴带离表面而不聚结的
冲击动力学的快照
请注意，液滴标签1和2分别用于撞击液滴和固着液滴
当改变影响参数χ和韦伯数(We)时，观察到六种结果(情况1至6)
这些行对应于一至四的不同影响参数
各栏显示了碰撞过程的特征阶段
a，刚在碰撞；最大压缩时的固着液滴；分离或聚结前的液滴形状；影响的最终结果
冲击液滴、固着液滴或凝聚液滴的质心高度最大
两滴的体积都是3 μl
案例一:我们= 1
30且χ = 0
01时，每帧的时间戳为tA = 0 ms、tB = 8 ms、tC = 20 ms和tD = 25 ms
案例二:我们= 1
53, χ = 0
08;tA = 0 ms，tB = 8 ms，tC = 20 ms，tD = 24 ms
案例三:我们= 1
44, χ = 0
24;tA = 0 ms，tB = 8 ms，tC = 20 ms，tD = 24 ms
案例四:我们= 1
48, χ = 0
52;tA = 0 ms，tB = 5
5 ms，tC = 7 ms，tD = 21 ms
案例五:我们= 5
84, χ = 0
08;tA = 0 ms，tB = 3
75 ms，tC = 8
5 ms，tD = 25
5 ms
案例六:我们= 1
43, χ = 0
03;tA = 0 ms，tB = 7
5 ms，tC = 9 ms，tD = 17 ms
图片来源:奥林卡·拉米雷斯-索托，马克斯·普朗克高分子研究所
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aba4330 实验方法 科学家们进行了四次没有聚结的回弹实验
第一种情况，两滴都反弹；在另外两种情况下，冲击液滴反弹，而固着液滴保持不变，在最后一种情况下，固着液滴反弹，而冲击液滴保持表面束缚
在实验期间，拉米雷斯-索托等人
将一滴无柄油滴轻轻放在超重力物体表面，用第二滴同样的油滴撞击它
他们用一层20米厚的模板化蜡烛烟灰创造了超重力表面，其中包含一个多孔碳纳米珠网络
为了增加脆弱网络的稳定性，他们在多孔纳米结构上沉积了一层二氧化硅
他们通过氟化作用降低了煤烟模板表面的表面能，产生了一个排斥水和大多数油的超重质表面
科学家在实验中使用十六烷作为模型油，这是因为十六烷具有许多有利的特性，包括牛顿特性，并使用共焦显微镜记录了十六烷的滴角
该研究定量地比较了回弹动力学的实验数据和数值数据
拉米雷斯·索托等人
使用杨-拉普拉斯方程计算并确认液滴形状的值
十六烷液滴案例一的实验视频:撞击液滴的反弹
(韦伯数—— 实验结果和数值模拟
该团队观察到影响动力学的六个结果
在撞击过程中，两个液滴都变形并径向扩散，以显示轴向压缩，同时系统的动能转移到两者的表面能
当液滴开始后退时，先前固着的液滴以动能的形式将能量传递回撞击液滴
碰撞后，撞击液滴弹开，而固着液滴留在基底上
科学家们保持恒定的韦伯数(We ~ 1
5)对于所有六种观察到的情况；其中该参数通常表征喷雾的雾化质量或乳液的最终液滴尺寸
然后，他们绘制了迎面排列(表示为X)，并增加了实验装置中液滴聚结的韦伯数
他们将这一结果归功于在实验条件下直接接触造成的水滴间空气层的不稳定性
能源预算
能量转移的时间变化说明了在We ~1上的逐滴撞击过程的不同阶段
最初，所有的能量都储存为撞击液滴的机械能和固着液滴的表面能
然后，系统的机械能减少，并转化为液滴的表面能
这种转移之后是恢复阶段，在该阶段，表面能被转移回系统的机械能
一部分能量作为粘性耗散而损失
这种粘性耗散考虑了液滴和周围空气中耗散的综合能量
该计算包括液滴之间以及液滴和超重质基底之间的空气层
撞击时，跌落(A)情况一:χ = 0，(B)情况二:χ = 0
08，(C)病例三:χ = 0
25，和(D)病例IV: χ = 0
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Em是系统的总机械能(Em = Ek + Ep)，Es是两个液滴的表面能，Ed是系统中的粘性耗散
请注意，总机械能(Em)包括液滴质心的能量，以及在随单个液滴质心平移的参考系中获得的振动和旋转能量
学分:科学进步，doi: 10
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aba4330 拉米雷斯·索托等人
然后进行直接数值模拟(DNS)以说明速度场和液滴间能量传递的影响，并将结果与实验数据进行比较
该团队使用流体的几何体积(VOF)方法，并在整个过程中保持液滴之间的有限空气层，以模拟实验条件，从而使用模拟实现非凝结液滴
该团队运行了前四次模拟，并量化了每种情况下的速度矢量场；这一结果将使定量研究油滴碰撞过程的动力学成为可能
能源预算 在所有情况下，撞击液滴包含机械能(以动能和势能的形式)和固着液滴的表面能
系统的机械能随后减少并转化为结合液滴的表面能
转移之后是一个恢复步骤，其中表面能被转换回系统的机械能，同时一部分能量以粘性耗散的形式耗散
这一过程说明了液滴和周围空气中耗散的综合能量
计算还考虑了滴上滴接触之间以及滴上滴超重质基底之间的空气层
数值模拟提供了冲击动力学的定量描述，其中液滴边界和实验机械能之间存在很强的一致性
十六烷液滴情况五(五)的实验视频:液滴的聚结和聚结液滴的提升
学分:科学进步，doi: 10
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aba4330 通过这种方式，奥林卡·拉米雷斯-索托和他的同事们将系统实验和数值模拟结合起来，预测和控制低附着力表面上二元油滴撞击的结果
实验和数值一对一的比较揭示了液滴边界和质量机械能中心，同时说明了直接数值模拟的能力
该研究强调了如何单独使用液滴撞击的对准来确定撞击后两个液滴之间的回收能量分布
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