黃寶羅，賈志海，康學(xué)良，潘桂暖

超疏水鋸齒表面振動(dòng)液滴的動(dòng)態(tài)特性

黃寶羅，賈志海，康學(xué)良，潘桂暖

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

在振動(dòng)的超疏水鋸齒表面上，液滴表現(xiàn)出明顯的運(yùn)動(dòng)特征，探究在該過(guò)程中液滴的運(yùn)動(dòng)機(jī)理及影響因素。采用鋁片制作一系列具有一定傾角和高度的非對(duì)稱鋸齒狀表面，使用疏水涂層Glaco Soft 99均勻噴涂，并干燥其表面，重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，直到表面具有穩(wěn)定的超疏水性。加載一定的振動(dòng)，對(duì)表面振動(dòng)液滴的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行研究。在一定的振動(dòng)范圍內(nèi)，當(dāng)頻率的作用范圍為10～100 Hz，振幅的作用范圍為0～2 mm時(shí)，隨著振動(dòng)參數(shù)的增加，超疏水鋸齒表面上的液滴會(huì)產(chǎn)生4種不同的行為，即靜止、定向蠕動(dòng)、跳躍、破裂等。實(shí)驗(yàn)表明，超疏水鋸齒表面振動(dòng)液滴的最快運(yùn)動(dòng)速度為8 cm/s。針對(duì)液滴的定向蠕動(dòng)行為，運(yùn)用力學(xué)分析方法，建立了液滴運(yùn)動(dòng)的物理模型，并分析了振動(dòng)特征參數(shù)、鋸齒表面參數(shù)、液滴體積對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)特征的影響。對(duì)于一定尺寸的液滴，存在一個(gè)由共振頻率和最優(yōu)振幅組成的最佳的振動(dòng)加速度，可使液滴達(dá)到該條件下的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，通過(guò)改變鋸齒表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可使液滴運(yùn)動(dòng)速度更快，并且隨著液滴體積的增加，液滴運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)先增快、后減慢的趨勢(shì)。

液滴；超疏水；鋸齒表面；振動(dòng)；定向驅(qū)動(dòng)

操控液滴運(yùn)動(dòng)在強(qiáng)化換熱[1]、抑制結(jié)冰[2]、液體運(yùn)輸[3]等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。從Linke等[4]利用不對(duì)稱鋸齒狀表面首先實(shí)現(xiàn)了液滴定向運(yùn)動(dòng)以來(lái)，采用非對(duì)稱表面操控液滴運(yùn)動(dòng)成為了重要的研究方向。研究者對(duì)這種非對(duì)稱表面進(jìn)行了大量的研究，認(rèn)為液滴在這種非對(duì)稱表面上形成的非對(duì)稱力是促使其運(yùn)動(dòng)的根本原因。

近年來(lái)，基于非對(duì)稱表面結(jié)構(gòu)的研究得到了廣泛的關(guān)注，許多不同形式的表面結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來(lái)，如徑向輻射式表面[5-6]、微脊?fàn)钍杷砻鎇7-8]、楔形梯度表面[9-10]等。研究者通過(guò)不斷改變表面結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问?，?duì)液滴在各種不同表面的行為特征、運(yùn)動(dòng)機(jī)理等進(jìn)行了探討。由于這種非對(duì)稱表面結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力較微弱，液滴的運(yùn)動(dòng)速度較緩慢[11]，移動(dòng)的距離也非常有限[12]，有時(shí)甚至只有幾毫米，因此采用外界刺激強(qiáng)化液滴的運(yùn)動(dòng)速度成為目前常用的方法，如溫度場(chǎng)[13]、電場(chǎng)[14]、磁場(chǎng)[15]、光照[16-17]等。近年來(lái)，機(jī)械振動(dòng)方法也被引入操控液滴運(yùn)動(dòng)的研究中，一些研究者采用振動(dòng)方法研究了液滴的浸潤(rùn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變特征[18-19]，認(rèn)為振動(dòng)特征參數(shù)顯著影響著液滴的浸潤(rùn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程。然而，采用振動(dòng)誘導(dǎo)液滴運(yùn)動(dòng)的研究還不多見(jiàn)[5,20]，在振動(dòng)作用下液滴的運(yùn)動(dòng)機(jī)理及振動(dòng)特征參數(shù)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)的影響還不清楚。探究在振動(dòng)條件下，如何操控液滴成為重點(diǎn)研究方向，該技術(shù)的發(fā)展也為解決一些常見(jiàn)工業(yè)難題提供了新的思路。例如，冷凝器的冷凝換熱過(guò)程往往伴隨著膜狀凝結(jié)現(xiàn)象的產(chǎn)生，這是工業(yè)領(lǐng)域常見(jiàn)的一大難題。水膜的產(chǎn)生大大增加了表面熱阻，從而降低了傳熱性能。這類問(wèn)題在動(dòng)力、能源、化工、電力等實(shí)際工程應(yīng)用中仍普遍存在，目前還無(wú)較好的解決方法，文中利用振動(dòng)的液滴操控技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水膜的破裂和快速輸送，提高設(shè)備的傳熱性能。

文中采用鋁片制作不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的非對(duì)稱鋸齒表面，探討通過(guò)機(jī)械振動(dòng)對(duì)鋸齒表面液滴的動(dòng)態(tài)行為，建立液滴運(yùn)動(dòng)的物理模型，分析振動(dòng)特征參數(shù)、鋸齒表面特征參數(shù)、液滴尺寸對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)特征的影響。文中研究將為后續(xù)采用機(jī)械振動(dòng)操控液滴運(yùn)動(dòng)提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)表面和裝置

實(shí)驗(yàn)使用的鋸齒表面由線切割工藝加工制作，通過(guò)改變齒高和鋸齒傾角來(lái)改變鋸齒的表面參數(shù)。使用疏水涂層Glaco Soft 99均勻噴涂鋸齒表面，然后置于90 ℃環(huán)境下烘干，重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，使鋸齒表面具有穩(wěn)定的超疏水性，如圖1a所示。利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量鋸齒表面的液滴表觀接觸角，介質(zhì)采用去離子水。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1b所示，首先將鋸齒表面置于振動(dòng)臺(tái)上，使用微量進(jìn)樣器在鋸齒表面沉積1滴液滴。將振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的垂直振動(dòng)作為振動(dòng)源，利用信號(hào)發(fā)生器和功率放大器對(duì)振動(dòng)源輸出的振動(dòng)頻率和振幅進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用的振動(dòng)頻率為10～100 Hz，振幅為0～2 mm。依次打開(kāi)信號(hào)發(fā)生器和功率放大器控制振動(dòng)的頻率和振幅。利用高速攝影儀（Fastec Imaging Hispec 3），以1 000幀/s的頻率來(lái)捕捉液滴的動(dòng)態(tài)特征。

圖1 實(shí)驗(yàn)表面和裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 振動(dòng)液滴的動(dòng)態(tài)行為

將1滴80 μL的去離子水液滴輕輕沉積在=30°、=1.2 mm的鋸齒表面，對(duì)鋸齒表面加載一定的振動(dòng)，=40 Hz，振幅分別取0.3、0.4、1.2、2 mm。隨著振幅的變化，液滴會(huì)依次表現(xiàn)出靜止、定向蠕動(dòng)、跳躍、破裂等行為。當(dāng)振動(dòng)臺(tái)提供的能量較小時(shí)，不足以克服液滴的重力和運(yùn)動(dòng)阻力，液滴在原地不動(dòng)，只在垂直方向伸縮，將此時(shí)的液滴狀態(tài)稱為靜止?fàn)顟B(tài)，如圖2a所示。當(dāng)振動(dòng)的能量達(dá)到某一閾值時(shí)，液滴開(kāi)始穩(wěn)定地沿著鋸齒直角邊方向做定向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)液滴不會(huì)脫離表面，而是在表面蠕動(dòng)，將此時(shí)的液滴狀態(tài)稱為定向蠕動(dòng)行為，如圖2b所示。隨著振動(dòng)能量繼續(xù)增加，液滴逐漸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與表面脫離，液滴彈跳著向前運(yùn)動(dòng)，如圖2c所示，將此時(shí)的液滴狀態(tài)稱為跳躍行為。當(dāng)振動(dòng)能量進(jìn)一步增加，液滴形變劇烈且極不穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)，并伴隨著液滴破裂現(xiàn)象的發(fā)生，如圖2d，將此時(shí)的液滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為破裂行為。

2.2 力學(xué)分析

選擇定向蠕動(dòng)行為作為研究對(duì)象，分析液滴運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。在振動(dòng)作用下，液滴會(huì)侵入鋸齒溝槽，如圖3所示，導(dǎo)致液滴兩端的動(dòng)態(tài)接觸角發(fā)生了變化，并在三相接觸線上產(chǎn)生了非對(duì)稱作用力。在該作用力的作用下，液滴產(chǎn)生向鋸齒直角邊的定向運(yùn)動(dòng)（定義為正方向）。將運(yùn)動(dòng)過(guò)程中液滴前進(jìn)端動(dòng)態(tài)接觸角定義為前進(jìn)角A，另一端定義為后退角R。

液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力D的計(jì)算見(jiàn)式（1）。

圖2 振動(dòng)液滴在同一塊鋸齒表面（β=30°，h=1.2 mm）的靜止、定向蠕動(dòng)、跳躍、破裂行為

圖3 液滴在鋸齒表面上運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力分析

式中：為取決于接觸線形狀的系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定；為液滴寬度；L為液體的表面張力；A為前進(jìn)角，R為后退角。

在驅(qū)動(dòng)力D的作用下，液滴沿著鋸齒表面開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，在一定時(shí)間內(nèi)，液滴質(zhì)心在水平方向的位移距離為D，則驅(qū)動(dòng)力做功D，見(jiàn)式（2）。

液滴在鋸齒表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，在水平方向會(huì)受到阻力，當(dāng)液滴移動(dòng)D時(shí)，阻力做功，見(jiàn)式（3）。

這里f包含2個(gè)部分。根據(jù)文獻(xiàn)[21]，液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與鋸齒產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致部分動(dòng)能損失，引起這部分動(dòng)能損失的力的計(jì)算見(jiàn)式（4）。

由于振動(dòng)液滴會(huì)侵入溝槽內(nèi)部，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還需克服一定的勢(shì)能障礙，這部分能量損失對(duì)應(yīng)的力的計(jì)算見(jiàn)式（5）。

液滴受到的總阻力f的計(jì)算見(jiàn)式（6）。

式中：1、2為系數(shù)，主要取決于鋸齒表面的結(jié)構(gòu)尺寸；為液滴侵入的深度；為液滴密度；為液滴半徑；為液滴速度；為重力加速度；為鋸齒底邊長(zhǎng)。

液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能增量D計(jì)算見(jiàn)式（7）。

液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)力做功D轉(zhuǎn)換為阻力做功f及動(dòng)能增量D，見(jiàn)式（8）。

液滴運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算見(jiàn)式（9）。

式中：1為某時(shí)刻由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的真實(shí)速度；2為時(shí)間間隔后的理論速度，它與實(shí)際速度的比較如圖4a所示。

選取時(shí)間步長(zhǎng)為10 ms，采用液滴質(zhì)心在水平方向的運(yùn)動(dòng)速度代替液滴整體的運(yùn)動(dòng)速度。將10 ms中液滴質(zhì)心在水平方向的位移距離定為D。理論速度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際速度的比較如圖4所示。從圖4a中發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的變化，速度曲線呈現(xiàn)較大的波動(dòng)。這是因?yàn)橐旱卧谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生波動(dòng)，即在振動(dòng)的作用下存在鋪展和收縮的過(guò)程。同時(shí)，液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中處于鋸齒的不同位置，導(dǎo)致前進(jìn)角和后退角不斷變化，甚至出現(xiàn)前進(jìn)角大于后退角的情況，從而出現(xiàn)瞬間的驅(qū)動(dòng)力方向與運(yùn)動(dòng)方向相反的情況，但在慣性的作用下，液滴依舊保持原方向運(yùn)動(dòng)。在兩者的共同作用下，造成速度曲線出現(xiàn)較大的波動(dòng)。需要注意的是，對(duì)于時(shí)間步長(zhǎng)的選取不宜超過(guò)20 ms，因?yàn)殡S著時(shí)間步長(zhǎng)的增加，液滴在宏觀上的速度趨于穩(wěn)定，而驅(qū)動(dòng)力依舊為瞬態(tài)值，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際速度趨于平緩而理論速度依然波動(dòng)較大的情況。對(duì)不同鋸齒表面液滴的理論速度與實(shí)際速度進(jìn)行了比較，如圖4b所示，液滴在水平方向的實(shí)際速度與理論速度基本一致。

圖4 液滴速度對(duì)比

2.3 運(yùn)動(dòng)影響因素分析

2.3.1 振動(dòng)參數(shù)的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[22]，對(duì)于具有弧狀拓?fù)湮⒔Y(jié)構(gòu)的表面，依靠三相接觸線產(chǎn)生的非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)力使液滴發(fā)生運(yùn)動(dòng)，速度與振動(dòng)的振幅和頻率密切相關(guān)。根據(jù)Jung等[23]的研究，文中用2，即振動(dòng)平臺(tái)加速度來(lái)表征加載的振動(dòng)能量，其中為振動(dòng)臺(tái)的振幅，為振動(dòng)頻率。

對(duì)于80 μL液滴，選取5種不同頻率，通過(guò)調(diào)整振幅來(lái)改變振動(dòng)臺(tái)的加速度，獲得不同振動(dòng)特征下液滴的速度特征，如圖5a所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的頻率，在振動(dòng)臺(tái)加速度逐漸增加的過(guò)程中，液滴的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)出現(xiàn)峰值，即液滴運(yùn)動(dòng)存在最優(yōu)振幅，使得液滴的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到最大值。尤其是在=40 Hz時(shí)，最快速度達(dá)到8 cm/s，當(dāng)超過(guò)最優(yōu)振幅后，隨著振幅的持續(xù)增加，液滴的運(yùn)動(dòng)速度逐漸減慢，且液滴的運(yùn)動(dòng)變得極不穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著振幅的增加，振動(dòng)加速度逐漸增加，振動(dòng)愈加劇烈，液滴的表面波動(dòng)加劇，使得驅(qū)動(dòng)力中的（cosAcosR）變化復(fù)雜，即驅(qū)動(dòng)力D變得不穩(wěn)定。此外，隨著振幅的增加，液滴侵入溝槽的平均深度變大，即平均增大，從而形成了較大的阻力，導(dǎo)致超過(guò)最優(yōu)振幅后液滴的運(yùn)動(dòng)速度下降。

由圖5b可知，對(duì)于不同的振幅，80 μL的液滴都在40 Hz時(shí)達(dá)到運(yùn)動(dòng)速度的峰值。根據(jù)Noblin等[24]的研究，液滴共振頻率的計(jì)算見(jiàn)式（10）。

式中：為液體的密度；為液滴的振動(dòng)模式數(shù)量；為液滴的表面張力；為液滴的半徑。

通過(guò)計(jì)算可知，80 μL液滴對(duì)應(yīng)的共振頻率為40 Hz，即在液滴的共振頻率下，液滴達(dá)到了最大的運(yùn)動(dòng)速度。經(jīng)分析認(rèn)為，這是因?yàn)樵诠舱耦l率下振動(dòng)臺(tái)傳遞到液滴的能量傳遞效率最大。結(jié)合圖5a可知，在共振頻率下液滴達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的振幅最低，這為利用振動(dòng)操控液滴運(yùn)動(dòng)振動(dòng)頻率的選擇提供了依據(jù)。

2.3.2 液滴尺寸的影響

選用=30°、=1.2 mm的鋸齒，振動(dòng)頻率選擇液滴的共振頻率，振幅采用最優(yōu)振幅，即采用最佳的振動(dòng)臺(tái)加速度opt，分析液滴尺寸對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)特征的影響，結(jié)果如圖6所示。為了便于分析，采用無(wú)量綱半徑R=R/λ來(lái)表征液滴的尺寸，R越大表示液滴覆蓋的鋸齒數(shù)越多。根據(jù)圖6，發(fā)現(xiàn)隨著R的增加，最優(yōu)振動(dòng)臺(tái)加速度opt呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢(shì)。這主要是由振動(dòng)參數(shù)特性所決定，R為0.9～1.4時(shí)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)振幅的變化范圍為0.8～1.2 mm，但是共振頻率的變化范圍為70～30 Hz。因?yàn)楣舱耦l率的變化范圍更廣，所以對(duì)最優(yōu)振動(dòng)加速度opt的影響更大。對(duì)于小液滴來(lái)說(shuō)，共振頻率較大，所以對(duì)應(yīng)的最優(yōu)振動(dòng)臺(tái)加速度較大。隨著液滴尺寸的增加，共振頻率逐漸減小，且下降趨勢(shì)逐漸變緩，導(dǎo)致曲線趨于平緩。對(duì)于較小尺寸的液滴，達(dá)到最大速度所需要的最優(yōu)振動(dòng)臺(tái)加速度opt比大尺寸液滴大。

不同尺寸的液滴在最佳振動(dòng)臺(tái)加速度opt下達(dá)到的最快運(yùn)動(dòng)速度如圖6所示。無(wú)量綱半徑R在1.2附近時(shí)，即液滴體積為60 μL時(shí)，液滴的運(yùn)動(dòng)速度最快。這是因?yàn)楫?dāng)R<1.2時(shí)，隨著液滴體積的增加，液滴寬度不斷增加，而（cosAcosR）未發(fā)生明顯的變化，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力D隨著液滴的體積增加而增加，使得液滴運(yùn)動(dòng)速度逐漸增大。當(dāng)R>1.2時(shí)，隨著液滴體積的增加，液滴表面波動(dòng)加劇，使得液滴寬度和（cosAcosR）在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變得極不穩(wěn)定，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力D總體減小。其次，較大尺寸的液滴對(duì)應(yīng)的阻力也較大。尤其是在液滴鋪展過(guò)程中，可以填滿多個(gè)鋸齒溝槽，極大地增加了液滴的運(yùn)動(dòng)阻力，導(dǎo)致液滴的運(yùn)動(dòng)速度變慢。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)R為1.2時(shí)，液滴有著較大且相對(duì)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力D，并且相對(duì)于大液滴，有著較小的阻力，導(dǎo)致此時(shí)的液滴具有較快且穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)速度。

圖5 振動(dòng)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響

圖6 不同尺寸液滴對(duì)應(yīng)的最佳振動(dòng)加速度和最佳速度

2.3.3 鋸齒參數(shù)的影響

為了驗(yàn)證鋸齒表面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于液滴運(yùn)動(dòng)的影響，選擇60 μL的液滴作為研究對(duì)象，對(duì)液滴施加的共振頻率為47 Hz，選用最佳振動(dòng)臺(tái)加速度，使得液滴達(dá)到該條件下的最大速度。不斷更換鋸齒表面，獲得液滴的運(yùn)動(dòng)速度與鋸齒參數(shù)的關(guān)系，如圖7所示。

由圖7a可以看到，在30°的表面上，液滴的速度隨著鋸齒高度的增加，呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)楦叨容^小時(shí)，（cosAcosR）較小，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力D較小，隨著鋸齒高度的增加，（cosAcosR）增加，在鋸齒高度超過(guò)1.2 mm后，（cosAcosR）穩(wěn)定。此時(shí)，由于鋸齒高度較高，溝槽較深，導(dǎo)致嵌入溝槽的液滴體積增加，從而引起阻力的增加，導(dǎo)致液滴的速度降低。由圖7b可知，當(dāng)固定鋸齒高度時(shí)，隨著鋸齒傾角的增加，液滴速度同樣呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)，其原因卻不盡相同。當(dāng)鋸齒傾角較小時(shí)，液滴無(wú)法完全覆蓋2個(gè)鋸齒，液滴一端與前鋸齒的尖角接觸，另一端主要與后鋸齒的斜邊接觸，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力不足以使液滴從溝槽中排出，并越過(guò)鋸齒的寬度，從而不能到達(dá)下一個(gè)鋸齒，故而此時(shí)若要形成連續(xù)穩(wěn)定的定向運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)加速度需較大。隨著鋸齒傾角的增加，液滴的速度逐漸增加，在達(dá)到30°后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)傾角較大時(shí)，鋸齒變得更加密集，液滴未侵入溝槽，導(dǎo)致液滴兩端呈現(xiàn)的A與R基本相同，使得驅(qū)動(dòng)力D接近于0。當(dāng)傾角為60°時(shí)，液滴不再出現(xiàn)明顯的運(yùn)動(dòng)特征。

圖7 鋸齒表面參數(shù)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響

3 結(jié)論

1）在非對(duì)稱超疏水鋸齒表面上，通過(guò)對(duì)鋸齒表面施加一定條件的機(jī)械微振動(dòng)，液滴在鋸齒表面上會(huì)呈現(xiàn)不同的動(dòng)態(tài)行為，即靜止、定向蠕動(dòng)、跳躍、破裂等行為。

2）由最優(yōu)振幅和共振頻率組成的最佳振動(dòng)，可以使一定尺寸的液滴獲得最佳的運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，調(diào)整表面結(jié)構(gòu)參數(shù)可促使液滴的運(yùn)動(dòng)速度加快，并且隨著液滴體積的增加，液滴運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)先變快、再變慢的趨勢(shì)。

3）針對(duì)液滴的定向蠕動(dòng)行為，基于力學(xué)分析建立了液滴運(yùn)動(dòng)的物理模型。

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Dynamic Characteristics of Vibrating Droplets on Superhydrophobic Ratchet Surfaces

,,,

(University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Droplets show apparent dynamic properties on a superhydrophobic vibrating ratchet surface. The work aims to explore the motion mechanism and influencing factors of droplets in this process. In this paper, a physical model of droplet motion was developed and the effect of various parameters on dynamic behaviors of droplets was explored. In the experimental section, firstly, a series of asymmetric ratchet surfaces with a certain inclination and height were fabricated with aluminum sheets. Next, the ratchet surfaces were uniformly sprayed and dried with a hydrophobic coating, Glaco Soft 99, and the procedure was repeated several times until the surfaces had a stable superhydrophobicity. At this point, it was not necessary to consider the adhesion between the droplet and the ratchet surface. Finally, the ratchet surface was fixed to the shaking table, a drop of deionized water was placed on the surface, a certain amount of vibration was loaded, and the droplet motion was captured at a rate of 1000 fps with a high-speed camera (Fastec Imaging Hispec 3). The dynamic behavior of the vibrating droplet was observed and studied. It was found that within a certain vibration range, in which the frequency action range was 10-100 Hz and the amplitude action range was 0-2 mm, the vibrating droplet on the superhydrophobic ratchet surface exhibited four different behaviors, i.e., stationary, directional creep, jumping, and rupture behaviors, as the vibration amplitude increased. The experimental results showed that the fastest motion of the vibrating droplet on the superhydrophobic ratchet surface can reach 8 cm/s, which was much faster than the results of similar studies. Considering the continuity of droplet motion, this work investigated the directional creeping behavior of the droplet. During the motion of the droplet, experimental pictures were taken every 10 ms, and the contact angle at both ends of each picture and the center of mass of the droplet were measured. A physical model of droplet motion was proposed by considering the driving force and resistance during the droplet motion using mechanical analysis. The accuracy of the model was verified by repeating the experiments and obtaining experimental values agreeing with the theoretical values. With the help of the model, the effects of vibration characteristics parameters, ratchet parameters and droplet volume on droplet motion characteristics were analyzed. For a certain size of droplet, there is an optimal vibration acceleration consisting of resonant frequency and optimized amplitude, which can make the droplet achieve the fastest motion velocity under this condition. Also, the ratchet parameters affects the droplet motion velocity. By adjusting the angle and height of the ratchet to appropriate values, the droplet motion can run faster. Finally, the droplet volume also affects the droplet motion velocity. As the droplet volume increased, the droplet motion velocity showed a trend of increasing first and then decreasing. Therefore, adjusting the droplet volume to a proper value will help the droplet move faster. This work provides a method and theoretical support for the subsequent manipulation of droplet motion.It has various applications in some fields such as enhanced heat transfer, liquid transportation, and aerospace.

droplets; superhydrophobic; ratchet surfaces; vibration; directional drive

O647

A

1001-3660(2023)01-0278-07

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.028

2022?01?17；

2022?04?25

2022-01-17；

2022-04-25

國(guó)家自然科學(xué)基金（51776128）

National Natural Science Foundation of China (51776128)

黃寶羅（1996—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)楣δ懿牧显谀茉磩?dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用。

HUANG Bao-luo (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: application of functional materials in the field of energy and power.

賈志海（1975—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣δ懿牧显谀茉磩?dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用。

JIA Zhi-hai (1975-), Male, Doctor, Professor, Research focus: application of functional materials in the field of energy and power.

黃寶羅, 賈志海, 康學(xué)良, 超疏水鋸齒表面振動(dòng)液滴的動(dòng)態(tài)特性[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(1): 278-284.

HUANG Bao-luo, JIA Zhi-hai, KANG Xue-liang, et al. Dynamic Characteristics of Vibrating Droplets on Superhydrophobic Ratchet Surfaces [J]. Surface Technology, 2023, 52(1): 278-284.

責(zé)任編輯：彭颋