界面物性对液滴聚结的影响

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高分子材料中的界面相互作用及其物性研究

高分子材料中的界面相互作用及其物性研究前言随着科学技术的发展，高分子材料在现代工业中得到广泛的应用。

不同种类的高分子材料在制备过程中涉及到大量的界面相互作用，而这种相互作用不仅影响着材料的性质，同时也决定了材料的实际应用性能。

本文将着重介绍高分子材料中的界面相互作用及其物性研究。

高分子材料中的界面相互作用高分子材料的分子结构往往复杂，由于极性以及分子内键能的差异，使得分子两侧的电荷分布不均匀，形成了极性界面。

这种极性界面在高分子材料的制备和使用中扮演着非常重要的角色，并且往往和其他物质之间发生相互作用。

根据不同的相互作用方式，高分子材料中的界面相互作用主要可以分为物理作用和化学作用两种。

物理作用物理作用是一种弱的界面相互作用，它可以通过诸如吸附、静电作用等方式来实现。

其中，吸附作用是一种分子之间的非共价作用，是一种靠着吸附分子之间的范德华力进行的。

而静电作用则涉及到分子之间的电荷分布不均，进而产生的静电力。

这种物理作用在高分子材料中非常普遍，尤其是在高分子与颜料、填料等物质的接触界面处。

这些吸附或静电作用往往可以影响高分子的表面性质，包括表面张力、润湿性等。

化学作用化学作用是一种在界面上的共价化学键连接作用，是一种相对强的界面相互作用。

在高分子材料的制备过程中，往往需要利用化学作用来增加材料的机械强度和化学稳定性等。

这种化学作用涉及到分子间的晶体化、聚合、交联等反应。

值得一提的是，高分子材料与其它物质的化学作用也往往能够提供高度特定的功能性。

高分子材料中的物性研究高分子材料中的界面相互作用既定量又定性，研究界面相互作用对高分子材料物性的影响是高分子化学的一个重要研究方向。

研究高分子材料中的物性可以大体分为三类，分别为：结构性能、物理性能和化学性能。

结构性能高分子材料的结构性能主要指的是高分子材料的形态结构和物相结构等，包括晶体结构、相互作用力、分子链的取向和排列方式，这些结构对材料的性质和应用性能有着非常明显的影响。

物理化学界面现象知识点

物理化学界面现象知识点物理化学是一门研究物质与能量转化关系的学科，其中关于界面现象的研究成为其重要组成部分。

界面现象指的是两种或两种以上物质的交界处，这些物质可以是固体、液体或气体。

本文将介绍物理化学界面现象的几个重要知识点。

一、表面张力表面张力是指液体分子表面上分子间相互吸引的力所产生的效应。

液体分子在表面形成一个较为稳定的薄层，使得液体表面呈现收缩的趋势。

表面张力的大小与液体的性质有关，与温度、溶质浓度等因素也有关系。

表面张力有许多重要应用，如测定液体的粘度、浮力现象和昆虫在水面行走等。

二、润湿性润湿性是指液体在与固体接触时的扩展性和均匀性。

润湿性好的液体可以在固体表面均匀地展开，与固体取得较大的接触面积。

润湿性的研究对于表面活性剂、涂层材料等的开发具有重要意义。

润湿性与液体与固体之间的相互作用力有关，主要分为两种类型：强烈吸附型润湿和胶状薄膜型润湿。

三、界面电荷界面电荷是指存在于两相接触处的电荷分布。

在液体与固体、液体与气体的接触处，由于电离、化学吸附等作用，使得界面处出现电荷分布不均匀的现象。

界面电荷的存在对于溶液的稳定性、沉降速度以及电化学反应的进行产生重要影响。

四、界面传质界面传质是指物质在两相接触处的传输过程。

传质可以是从一个相向另一个相的扩散，也可以是通过界面传递。

界面传质是许多重要现象的基础，如大气污染、化工过程中的传质现象等。

界面传质与各相之间的浓度差、物质的扩散系数等因素相关。

五、胶束和微乳液胶束和微乳液是由表面活性剂分子在溶液中自组装形成的具有特殊性质的结构。

胶束是由表面活性剂分子聚集形成的球状结构，具有封闭的疏水核心和亲水外壳。

微乳液是由表面活性剂分子聚集形成的亲水和疏水两相共存的稳定结构。

胶束和微乳液的形成与溶液中表面活性剂浓度、温度等因素密切相关，对于药剂的输送、催化剂的设计等方面具有重要意义。

综上所述，物理化学界面现象是物质与能量转化过程中的重要组成部分。

表面张力、润湿性、界面电荷、界面传质以及胶束和微乳液等知识点对于理解和应用界面现象有着重要作用。

浅谈界面现象及对传质的影响

浅谈界面现象及对传质的影响相界面对传质速率的影响除在量的方面体现为比相界面积ɑ外，界面的性质也对传质速率有很大的影响。

多数场合下可假设界面上溶解达到平衡，没有传质阻力。

但即使在清洁无表面活性剂污染的相界面上，由于溶解（萃取）是通过非均相反应进行的，或通过溶剂化、缔合、水合、脱水等物理过程实现的，也可能未达到平衡，因而消耗了部分传质推动力。

相反地，由于传质形成相界面张力的梯度，引起自发的界面湍动，又可强化相间传质效率。

表面活性剂对界面物理性质的影响自然地也影响相间传质速率。

1、相界面传质阻力溶质可能在两相中以不同的化学形式存在，因而溶解过程实际上伴随着非均相界面反应。

用非极性试剂（如苯）从水中萃取羧酸时，酸在萃取剂中以二聚物形式存在。

2、传质引起的界面不稳定性假设界面是不动的，没有沿界面方向的对流流动（宏观的或是微尺度的），但实际上界面附近有流动，传质涉及溶质在相间的转移，这可能产生一定的热效应，通过温度变化引起液体密度和界面张力的变化。

传质过程中界面附近浓度在时间上和空间上的变化，这也会引起液体密度和界面张力的变化。

在条件搭配适当时，就会出现由界面张力梯度引起的界面微尺度流动或界面湍动，一般称为Marangoni效应，和界面附近密度梯度与重力方向相反引起的界面湍动及其他界面不稳定现象。

3、界面湍动对液液相间传质的影响当溶质由有机相液滴传进水溶液连续相中时（正向传质），Marangoni效应通常促进液滴的凝并，而由水相到有机相传质则对液滴合并起阻碍作用。

在混合澄清槽中，正向传质起增大液滴尺寸和传质系数的作用，但体积传质系数可能减小；澄清槽中液滴合并加速，可提高相分离的效率。

在串联混合澄清槽中，可加强搅拌来改善传质效率，在高浓度（进料）端的效果更好。

在萃取塔中，有机分散相液滴变大，滞存率降低，结果比相界面面积减小，虽然传质系数增大，但体积传质系数可能会降低。

低的滞存率相应于较高的液泛点，这样塔的通量可以增大。

液体物性对静电场中液滴形态的影响

基金项目:本项目获得了国家自然科学基金项目资助(项目编号51567001)作者简介:陈华(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向为新能源技术。

液体物性对静电场中液滴形态的影响Effect of Liquid Physical Properties on Droplet Morphology in Electrostatic Field陈华,周书民,汪志成(东华理工大学,江西南昌330013)Chen Hua,Zhou Shu-ming,Wang Zhi-cheng (East China University of Technology,Jiangxi Nanchang 330013)摘要：为研究液体介质物性特征对静电场中液滴形态的影响，该文采用圆环电极-喷嘴雾化结构，通过高速数码摄像机记录液滴在静电场中荷电滴落的过程，在相同荷电条件下，使用不同的液体介质进行液体荷电试验，对比分析了电极电压和液体物性对液滴形态的影响规律。

结果表明：在其它条件不变的情况下，介质液滴形态会受到介质物性的显著影响，说明各介质自身的表面张力、电迁移率、电导率等，会对液滴荷电后的形态造成不同的影响。

关键词：静电雾化；液滴形态；电极电压中图分类号：O361.4文献标识码：B文章编号：1003-0107(2020)05-0135-05Abstract:In order to study the effect of the characteristics of liquid medium on the droplet morphology in the electrostatic field,a high-voltage device was used to control the charging voltage applied by the ring electrode,under the same charge condition,different liquid medium was used to carry out the liquid charge test,and the influence of electrode voltage and liquid physical property on the droplet shape was analyzed.The results show that the droplet morphology of different media is different under other conditions,which shows that the different media have different charge activity,which will have different effects on the droplet morphology.Key words:electrostatic atomization;droplet morphology;electrode voltage CLC number:O361.4Document code:BArticle ID ：1003-0107(2020)05-0135-050引言由于静电雾化技术的独特优势，已在静电喷涂[1]、喷墨印刷、液体燃料的雾化、电推进[2]、静电除尘、农药喷洒、电喷雾电离质谱、水雾灭火、静电纺丝等领域获得了广泛应用，并且也应用在风力发电[3]等新兴场景中。

物理化学界面现象教案中的界面液滴与液滴行为

物理化学界面现象教案中的界面液滴与液滴行为界面液滴与液滴行为引言：物理化学界面现象是研究物质界面及其性质、行为的一个重要领域。

其中界面液滴与液滴行为是一个常见且有趣的现象，在各种应用中都具有重要意义。

本教案旨在介绍界面液滴的基本概念、形成机制以及液滴行为的研究方法和应用。

一、界面液滴的定义与形成机制1. 界面液滴的定义界面液滴是指在两种不相溶液体的接触面上形成的小液滴。

其表面由相应的液相组成，与两种液体的界面相连接。

2. 界面液滴的形成机制（1）平衡压差：两种液体间存在平衡压差，使得界面液滴在力的作用下形成。

例如，水滴在油中形成，是由于水和油的分子间有吸附作用，造成平衡压差，使水滴形成。

（2）界面活性剂：添加界面活性剂可以调节液体间的表面张力，使界面液滴的形成更加稳定。

例如，肥皂液中的泡沫就是界面液滴的典型例子。

二、界面液滴的性质与行为1. 表面张力界面液滴的形成与液体表面张力密切相关。

表面张力越大，界面液滴的形成越困难，并且液滴越小。

2. 胶体性质界面液滴中的液体分子会扩散，导致液滴表面张力降低，液滴变得更加稳定。

这种性质使界面液滴在胶体科学中有广泛的应用。

3. 液滴形态与稳定性界面液滴的形态与液体的表面张力、粘度等性质有关。

不同的界面液滴形态（如球状、椭圆形等）对应着不同的稳定性。

4. 液滴融合与分离行为当两个液滴接触时，它们有可能发生融合或分离行为。

融合行为使得两个液滴合并为一个液滴，分离行为则使得液滴分离成两个或多个液滴。

三、界面液滴的研究方法1. 光学显微镜观察光学显微镜是研究界面液滴行为的常用方法，可以观察液滴的形态、行为和相互作用。

2. 表面张力测量使用表面张力测量仪可以测量不同液滴的表面张力，从而了解不同液滴的性质和行为。

3. 动力学模拟通过数值模拟方法，可以研究界面液滴在不同条件下的动力学行为，为实验结果提供理论支持。

四、界面液滴的应用1. 微流控技术界面液滴在微流控技术中发挥重要作用，可以实现微小体系的精确控制和操作。

界面现象与液体润湿性研究

界面现象与液体润湿性研究引言：界面现象与液体润湿性是物理学和化学领域中一个重要的研究课题。

液体在与固体接触时，会表现出不同的润湿性，这取决于液体与固体之间的相互作用力。

液体润湿性的研究对于理解液体在各种应用领域的行为具有重要意义，如涂层技术、纳米材料制备等。

本文将探讨界面现象与液体润湿性的研究进展和应用。

一、界面现象界面现象是指两种不同物质接触时的相互作用和现象。

在液体与固体接触的界面上，会出现一系列特殊的现象，如液体的弯曲、扩散、吸附等。

这些现象是由于液体分子与固体表面之间的相互作用力引起的。

常见的界面现象有液体在玻璃管中上升的现象、液滴在固体表面上的扩展等。

二、液体润湿性液体润湿性是指液体与固体接触时，液体在固体表面上的展开程度。

液体润湿性可以分为亲水性和疏水性。

亲水性液体（如水）在固体表面上能够迅速展开，而疏水性液体（如油）则不能。

液体润湿性的大小取决于液体与固体之间的相互作用力，主要包括液体与固体之间的吸附力、表面张力等。

三、界面现象与液体润湿性的研究方法研究界面现象与液体润湿性的方法主要包括实验方法和理论模拟方法。

实验方法包括接触角测量、表面张力测量等。

接触角是指液体与固体接触线与固体表面的夹角，是评价液体润湿性的重要参数。

通过测量接触角的大小，可以判断液体是亲水性还是疏水性。

表面张力是指液体表面上的分子间的相互作用力，是液体润湿性的另一个重要参数。

理论模拟方法主要通过计算模拟手段，研究液体分子在固体表面上的行为。

四、界面现象与液体润湿性的应用界面现象与液体润湿性的研究在许多领域都有广泛的应用。

在涂层技术中，通过调控液体的润湿性，可以实现防水、防油等功能。

在纳米材料制备中，液体的润湿性对于纳米颗粒的分散和组装具有重要影响。

此外，界面现象与液体润湿性还在生物医学、环境科学等领域有重要应用，如生物界面的研究、油水分离等。

结论：界面现象与液体润湿性是一个复杂而有趣的研究课题。

通过研究界面现象和液体润湿性，可以深入理解液体在与固体接触时的行为，并在各个领域中应用。

物理化学中的界面现象

物理化学中的界面现象物理化学是研究物质结构和性质，探究物质变化和反应机理的学科。

在复杂化学结构中，界面现象是一个重要的研究领域。

界面现象在物理化学中有着广泛的应用，教育学者用来解释液体物理现象、悬浮液体、乳液的形成及表面活性剂现象。

本文将深入探讨物理化学中的界面现象。

一、界面现象概述界面现象是物理化学中的一个重要概念，指两种物质之间的界面区域，具有独特的物理化学特性。

例如，液体与气体之间的表面产生的现象，或者两种液体或固液之间的接触面。

形成界面是由于不同物质间的接触，形成一个分界面，具有独特的能量和化学特性。

物理化学中常常以界面和晶界为结合点，展示物质结构和性质方面的共通性和特殊性。

界面现象对于物质的粘度、湿润、流变性质、变形行为等方面产生重要影响。

因此，研究界面现象对于理解物质的特性和属性，以及探究物质结构、能量转移和反应机理是至关重要的。

二、界面现象的分类物理化学中的界面现象可以分为气液界面、液液界面、液固界面、气固界面四个类别。

下面将分别进行讲解。

1. 气液界面气液界面是指气体与液体之间的界面现象。

这种界面现象常常被观察到，例如许多常见的液滴、气泡和泡沫。

气液界面有着重要的物理和化学特性，包括表面张力、液体湿润性、表面活性剂和胶体等。

2. 液液界面液液界面指两种不同液体之间的界面现象。

例如，油和水的混合物中的液液界面。

液液界面的特性包括表面张力、液体改成、液体分离等，这些特性在工业和科学上有着广泛的应用。

3. 液固界面液固界面指液体和固体之间的界面现象。

例如：在某些材料的表面，吸附了液体，所形成的界面。

在液固界面上的特性包括表面张力、液体吸附、电位差和化学反应等。

4. 气固界面气固界面指气体和固体之间的界面现象。

例如，气体在固体表面的吸附现象。

气固界面影响着固体材料表面的化学反应，对于分子分布和传输行为有着重要的影响。

三、界面现象在物理化学中的应用界面现象在物理化学中有着广泛的应用。

下面将进行列举。

界面物性对液滴聚结的影响

界面物性对液滴聚结的影响唐洪涛;崔世海【摘要】推导了分散相液滴运动轨迹模型和分层二相流基本流模型,并优化了计算方法.直接数值模拟结果表明:当层膜厚度和板宽变化时,流场的密度、黏度以及界面张力对界面处的液滴的作用方式不相同；黏度始终对液滴聚结产生明显的影响,而密度和界面张力对聚结的影响却因流场结构的变化而有所不同；密度、黏度及界面张力的变化使得液滴的顺时针或逆时针旋转运动更加具有倾向性.因此,密度和黏度在一定程度上可用于改善流场的聚结条件.数值模拟的结果与已知的实验结果吻合较好,而且,基本流的介入使得该模型能较好地反映液滴在分层二相流流场中的运动特性.%The trajectory model of dispersed drops and the model of basic flow for drop motion between two inclined parallel plates are derived and the calculation is optimized. The analytical results of numerical simulation indicate that with the variation of thickness of trickling film and plate distance? The density, viscosity and interfacial tension have different influences on the drop motion. The viscosity always has a great effect on the drop coalescence, while the effects of density and interfacial tension depend on the flow field. The variation of density, viscosity and interfacial tension may make the drop motion rotate tendentiously in the clockwise or anticlockwise direction with the axis parallel to a nearby plane wall. Hence, the density and viscosity may improve the coalescence condition in a certain extent. The simulation results match the experimental data well. The introduction of the basic flow is helpful for the model to reproduce the drop motion characteristics better in the stratified two-phase flow.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2012(063)004【总页数】9页(P1140-1148)【关键词】轨迹;聚结;液滴;界面张力;Archimedes数【作者】唐洪涛;崔世海【作者单位】天津科技大学机械工程学院,天津300222;天津大学机械工程学院,天津300072;天津科技大学机械工程学院,天津300222【正文语种】中文【中图分类】TQ021.1;TQ028.4液滴以什么样的运动方式在分层二相流相界面上运动是学术领域普遍关心的问题［1－3］。

冶金过程中的液液界面问题

冶金过程中的液液界面问题
在冶金过程中，液液界面问题是指两种不同液体之间的接触面或界面所涉及的问题。

在冶金过程中，液液界面问题可能涉及以下几个方面：
1. 液液界面的稳定性：液液界面的稳定性是指两种液体之间的接触面是否能够保持一定的稳定性。

如果液液界面不稳定，可能会导致液滴破裂、固液分离等问题，影响冶金过程的效果。

2. 液液界面的质量传递：液液界面是质量传递的关键位置之一，液体中的物质在液液界面发生吸附、扩散和反应等过程。

液液界面质量传递的效率和速率，直接影响到冶金过程中的反应速度和产物质量等因素。

3. 液液界面的热传递：液液界面也是热传递的关键位置之一。

在冶金过程中，液体可能存在温差，液液界面的热传递能力直接影响到温度场的分布和热平衡。

液液界面的热传递也与相变等相关过程有密切关系。

4. 液液界面的表面活性物质：在冶金过程中，常常会添加表面活性物质（如界面活性剂等）来调节液液界面的性质。

表面活性物质能够影响液液界面的界面张力、界面活性等特性，从而改变界面现象和传质传热等过程。

对液液界面问题的研究和控制，能够优化冶金过程的效果和综合性能，提高产品质量和生产效率。

同时，液液界面问题的解决也常常涉及到流体力学、传热学、质量传递以及化学等多个学科的交叉研究。

界面现象的应用和原理

界面现象的应用和原理1. 什么是界面现象界面现象是指在物质或能量的相互作用界面上，由于不同物质或相同物质的不同状态之间的相互作用和相互影响所产生的各种现象。

在界面现象中，物质或能量的转换、传递和堆积都会发生。

界面现象的研究对于理解物质和能量的相互作用机制，以及开发各种应用具有重要意义。

2. 界面现象的应用界面现象在许多领域都有广泛的应用，下面列举几个常见的应用：• 1. 液体表面张力在印刷、涂布等领域的应用：–液体表面张力的存在可以使得液体在固体表面形成一种曲面。

利用液体在固体表面上的张力特性，可以使得墨水在印刷时更加均匀分布于印刷媒介上，从而获得更好的印刷效果。

类似地，在涂布过程中，液体也会在固体表面形成一层均匀的涂层。

• 2. 表面活性剂在洗涤、乳化等领域的应用：–表面活性剂是具有可溶于水和油的分子结构，可以在液体表面形成一层薄膜。

在洗涤过程中，表面活性剂可以将油污分子与水分子结合起来，从而起到清洁的作用。

在乳化过程中，表面活性剂可以使得油水两种不相溶的液体均匀混合在一起，形成稳定的乳液。

• 3. 液滴在颗粒物料传输、药物输送等领域的应用：–液滴在不同物质之间的传输具有很好的选择性。

在颗粒物料传输过程中，可以利用液滴的表面张力和粘度特性，将颗粒物料从一处转移到另一处。

在药物输送过程中，可以将药物封装在液滴中，通过液滴在体内的传输来实现药物的定点释放。

3. 界面现象的原理界面现象的产生和发展是由于不同物质或相同物质的不同状态之间存在的相互作用和相互影响。

以下是界面现象的一些基本原理：• 1. 表面张力：–表面张力是指液体表面对于其内部的一种内聚力。

液体分子之间存在着相互吸引的力量，这种力量使得液体分子在其表面形成一层张力薄膜。

表面张力使得液体呈现出具有一定形状的表面，例如水滴的球形形状。

液体表面张力对于液体的流动、分散和吸附等过程具有重要影响。

• 2. 界面活性剂：–界面活性剂是一类具有亲水和疏水两种特性的化学物质。

物性参数对液滴的聚并自弹跳的影响及其关联分析

物性参数对液滴的聚并自弹跳的影响及其关联分析*王宇航1) 袁猛1) 明平剑2)†1) (哈尔滨工程大学动力与能源工程学院, 哈尔滨　150001)2) (中山大学中法核工程与技术学院, 珠海　519082)(2020 年10 月15日收到; 2021 年1 月15日收到修改稿)超疏水表面上液滴因聚并诱导而引起的自弹跳行为具有巨大的潜在应用价值, 因此有关问题引起了广泛关注. 目前液滴的物性参数对其自弹跳特性的影响却鲜有报道. 本文数值模拟了不同的液体物性参数下液滴的聚并自弹跳行为, 并利用灰色关联法研究了物性参数变化分别与液滴跳起时的真实弹跳速度及液滴和表面的真实接触时间的关联程度. 在无量纲的时间条件下, 液滴的聚并自弹跳的动力学特性仅受Oh数的影响. 在真实的时间条件下, 黏度变化与液滴聚并所需的真实时间无关, 而减小密度比会同时减少聚并过程和跳起过程中所需的真实时间. 无量纲的弹跳速度随着Oh数的增大而减小, 而减小黏度和密度都会增加液滴跳起时的真实弹跳速度. 根据灰色关联度的计算结果可知, 黏度的变化与真实弹跳速度的关联性更高, 密度的变化与真实接触时间关联性更高.关键词：物性参数, 液滴自弹跳, 灰色关联分析, 超疏水表面PACS：47.55.D–, 47.55.df, 47.61.Jd, 68.03.–g　DOI: 10.7498/aps.70.202017141 引　言在滴状凝结过程中, 具有较低的固-液黏附力的超疏水表面上微尺度的液滴能因聚并诱导而发生自推进式的跳离表面行为[1−5]. 液滴聚并后释放的过剩表面能可以转化为弹跳所需的动能, 促使聚并后的液滴在不借助外力(甚至可以忽略重力影响)的条件下能自发地跳离冷凝表面. 近年来的研究发现, 聚并后液滴自弹跳行为在强化滴状冷凝换热[6−8]、自清洁[9−11]、防冰[12]和热点冷却[13]等方面具有巨大的潜在应用前景, 因此相关问题受到了广泛的关注.Boreyko和Chen[1]在具有微纳米二级结构的超疏水表面上进行冷凝实验时, 首次发现微米尺度的两个液滴在聚并后可以跳离表面这一现象. 他们将这一过程分为初始成核、固定聚并和移动聚并这三个阶段, 并从能量守恒的角度解释了液滴聚并自弹跳这一行为: 聚并后释放的过剩表面能可以转化为弹跳所需的动能. 实验结果表明, 竖直的真实弹跳速度(有量纲的物理量)随着液滴半径的增大而先增大后减小, 而基于毛细-惯性尺度定律(capillary-inertial scaling law)下的无量纲弹跳速度的变化趋势则是先增大后保持稳定. 随后, Liu 等[14,15]利用莱登弗罗斯特表面, 实验测量了接触角为180°的液滴的聚并自弹跳行为, 确定了其基于毛细-惯性尺度定律下的无量纲弹跳速度约为0.2. 同时, 利用相场方法的数值模拟研究得到的弹* 国家自然科学基金(批准号: 51479038)、中央高校基本科研业务费专项资金(批准号: HEUCFP201711)和国家留学基金(批准号: 202006680020)资助的课题.† 通信作者. E-mail: mingpj@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 跳速度结果与实验结果相符合. 他们依据质心处的弹跳速度的变化趋势而将整个过程细分为四个阶段, 并且解释了聚并后液滴能跳起的关键: 扩展的液桥必须撞击到超疏水表面上. 除了相场方法外,格子玻尔兹曼方法[16−19]和流体体积法(volume of fluid method, VOF)[20−25]均可被应用于模拟液滴的聚并自弹跳行为. 另外, 许多学者利用分子动力学方法[26,27]证明纳米尺度的两个液滴在聚并后也能跳起.相对于两个半径相等的液滴, 非等径的两个液滴的初始表面能更小[21], 并且质量的非对称分布也会导致液滴在聚并后具有明显的旋转运动[19,20−22], 因此半径比的存在会降低弹跳速度. 除了尺寸和半径比外, 其他因素如表面结构[18,25,27]、液滴数量[24,28]和接触角[21−23,29]等也会对液滴的自弹跳速度有一定的影响.由于液滴的自弹跳行为存在于气-液两相系统中, 因此流体的物性参数是不可忽视的. 空气物性参数的数值要远小于液滴物性参数的值, 所以空气的黏度和密度对液滴的弹跳速度的影响极小[16].然而, 目前与液滴有关的物性参数的影响的研究仍鲜有报道, 没有引起重视, 甚至在一些文献中都无提及气液的相关物性值. 在考虑数值方法的有效性、广泛性及物性参数的值可大范围变化等因素后, 本文选用VOF方法数值模拟两个液滴之间的聚并自弹跳行为. 此项工作不仅揭示了液滴的不同物性参数对其聚并自弹跳特性的影响, 更利用灰色关联方法首次给出物性参数的变化分别与液滴跳离表面时的真实弹跳速度及液滴与表面之间的真实接触时间的远近关联程度, 为后续的相关研究提供思路和理论基础.2 模型及方法2.1 模型介绍两个半径r = 40 µm的液滴静止位于接触角为180°的超疏水表面上, 彼此相切. 计算域是一个长宽高分别为8r, 8r和6r的长方体, 底部的超疏水表面为无滑移壁面, 其他边界被指定为压力出口条件, 如图1所示. 为了减少收敛时间和节省计算资源,在液滴内部和周围的核心区域采用细的结构化网格, 远离液滴的其余区域采用非均匀的结构化网格.利用开源软件包OpenFOAM中的VOF方法[21],数值模拟了超疏水表面上液滴的聚并自弹跳行为.在VOF方法中, 相分数a用于表示体积分数,取值在0到1之间. 例如, a = 0时代表气体, a = 1时代表液体, 当a在0和1之间时, 表示气-液界面. 流体性质由下式给出:其中r是密度, µ是动力黏度, 下标l和g分别是指液体和气体. 连续性和Navier-Stokes方程为其中U是速度矢量,p是压力场, g是重力加速度.表面张力的计算如下所示:其中s是表面张力系数; k是自由表面的平均曲率,其计算公式为另外, 界面法向向量n可以近似为在求解过程中, 加入了人工压缩项a(1－a), 使得两相的界面可以保持尖锐. 相方程为式中Ur是两相的相对速度,其中C a是一个可调整的系数,在我们的算例中默认值为1.No-图 1 计算域的边界条件与网格Fig. 1. Boundary conditions and grids of computational do-main.2.2 无量纲分析液滴的真实弹跳速度取质心处垂直于平面的法向速度的加权平均值:其中v 是垂直于平面的法向速度, q 为整个计算域.定义的无量纲弹跳速度U *和无量纲时间t *如下所示:其中依据毛细-惯性尺度定律而定义的特征速度U ci 和特征时间尺度t ci 分别为[1]此外, 影响液滴动力学特性的参数有很多, 包括Bond 数、Ohnesorge 数、Weber 数、气液黏度比和密度比, 分别为取温度为20 ℃时对应的液滴的物性参数[21,25],具体详见表1. 液滴的尺寸非常小[16,22], 可以忽略重力的影响, 即Bo = 0. 在参考速度选取为特征速度后We = 1,毛细效应和惯性效应的影响等同,因此不必考虑表面张力变化带来的影响. 本文中所有算例的Oh 值都很小(最大不超过0.04), 满足液滴跳起的要求[14,22]. 最后, 重点考虑了黏性效应和惯性效应对液滴的聚并自弹跳行为的影响.由于液滴的质量分布对称, 故质心是在竖直方向上发生变化, 因此动能可由真实弹跳速度计算得到:聚并过程中释放的过剩表面能∆E s 可由液滴的表面积计算得到:其中E 0为初始时刻两个液滴的表面能, Es 是跳起时刻的液滴表面能, A 为跳起时刻的液滴表面积.由于基底为超疏水表面且接触角为180°, 故黏附功的影响可忽略. 根据能量守恒定律, 黏性耗散能E vis 可近似等于过剩表面能∆E s 与动能∆E k 之差:其中黏性耗散函数f 为最后对能量项进行无量纲化, 即:2.3 结果验证使用多套网格(核心区域的网格尺寸分别为1,1.25, 1.5, 2, 2.5和3 µm)模拟了文献[25]中的相同算例(液滴半径为40 µm), 得到的最大弹跳速度的结果如图2所示. 当网格尺寸为1, 1.25和1.5 µm 时, 最大真实弹跳速度分别为0.2648, 0.2661和0.2573 m/s (对应的最大无量纲弹跳速度U *分Mesh size of core region/m mM a x i m u m r e a l j u m p i n g v e l o c i t y /(m S s -1)图 2 不同网格尺寸条件下的最大真实弹跳速度Fig. 2. Maximum real jumping velocity with different mesh sizes of core region.表 1 流体物性参数Table 1. Physical parameters of fluids.温度T /℃表面张力系数s /(N·m –1)液体密度r l /(kg·m –3)液体黏度µl /(Pa·s)气体密度r g /(kg·m –3)气体黏度µg /(Pa·s)200.0729981.071 × 10–31.191.8 × 10–5别为0.197, 0.198和0.192). 这3个结果全部与文献[25]的模拟结果0.2686 m/s 非常吻合, 同时也均符合毛细-惯性尺度定律[14,15]的相关结论(无量纲值约为0.2). 因此, 为了节省计算资源且具有良好的界面分辨率, 所有算例选取了核心区域尺寸为1.25 µm 的这套网格(网格总数约为450万).3 物性参数对液滴的自弹跳特性的影响3.1 黏性效应对聚并自弹跳行为的影响在保持空气黏度和气-液密度比不变、只改变液滴的黏度的情况下, 不同黏度比时液滴的聚并自弹跳过程如图3所示. 在聚并开始阶段, 在表面张力的作用下两个液滴之间会形成液桥(见图3(a)、图3(f)和图3(k)), 之后液桥快速扩张(见图3(b)、图3(g)和图3(l)). 随后, 表面张力迫使两个液滴的外侧具有较大曲率的部分逐渐收缩(见图3(c)、图3(h)和图3(m)); 与此同时, 仍在快速扩张的液桥将会撞击下方的超疏水表面. 由于液桥的扩展会对表面进行撞击, 表面提供的反作用力迫使液滴向下运动的部分转而向上运动, 在此情况下液滴具有向上运动所需的动能(见图3(d)、图3(i)和图3(n)).当液滴底部的三相接触线(在液桥撞击平面的过程中产生的)减小为0时, 才发生弹跳行为. 但是从图3(e)、图3(j)和图3(o)可以看出, 具有较小黏度的液滴更容易跳起. 跳起的液滴在空中振荡, 做减速运动. 在液滴界面的曲率变化程度较小时(如图3中t * = 1.309之前), 改变液滴黏性对液滴界面的动力学演变影响较小. 但随着界面变化程度的增大, 黏性效应的影响也越来越强, 具有较大黏度的液滴的界面更为光滑.依据液滴质心处的真实弹跳速度的变化趋势[14], 整个弹跳过程可以分为4个阶段, 如图4(a)所示: 1) 弹跳速度从先下降后上升恢复至0; 2) 弹跳速度快速上升, 达到最大值; 3) 弹跳速度开始下降, 液滴跳离表面; 4) 跳起的液滴在空中做减速运动. 相邻两个阶段所间隔的时间在本文中被定义为这个阶段的持续时间. 例如, 第1个阶段的持续时间是指弹跳速度恢复至0的时刻与t * = 0之差,第2个阶段的持续时间是弹跳速度为最大值的时刻与前1个阶段(弹跳速度恢复至0)的时刻之差,以此类推, 第3个阶段的持续时间为液滴跳起的时刻与前一个阶段(弹跳速度达到最大值)的时间节点之差. 由图4(b)可知, 黏性的变化基本不会改变两个液滴之间聚并所需的时间, 但增大液滴的黏度会显著增加第3个阶段(跳离表面阶段)所经历的持续时间. 图5中流场的矢量图也表明了这一点:在图5(a)、图5(c)和图5(e)中, 随着黏度比的增大, 三相接触线收缩变缓慢了, 并且这也直接导致了黏度较小的液滴的三相接触线先收缩为0先跳起, 而黏度大的液滴三相接触线收缩慢后跳起, 如图5(b)、图5(d)和图5(f)所示.从图5可以看出, 黏度较小的液滴内部, 流动剧烈, 黏度的增大必然会带更大的内部流动阻力以及更多的能量损失. 由Oh 数的定义可知, 其反映1/2 ( =0.01)( =0.02)(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)(m)(n)(o)2 ( =0.04)图 3 不同黏度比条件下液滴的聚并和自弹跳过程　(a), (f), (k) t * = 0.168; (b), (g), (l) t * = 0.604; (c), (h), (m) t * = 1.309;(d), (i), (n) t * = 2.686; (e), (j), (o) t * = 3.257Fig. 3. Coalescence and jumping process of droplets with different viscosity ratios: (a), (f), (k) t * = 0.168; (b), (g), (l) t * = 0.604;(c), (h), (m) t * = 1.309; (d), (i), (n) t * = 2.686; (e), (j), (o) t * = 3.257.了黏性效应、惯性效应和毛细效应之间的影响程度. 增大黏度比会导致Oh 数变大, 黏性效应越发明显, 不利于液滴的跳起, 甚至于当液滴的黏度过大时, 液滴完全可能因没有足够的动能而无法跳起.无量纲弹跳速度随着液滴黏度的增大而逐渐减小. 从能量的角度来说, 虽然黏度的增大会让液滴的界面更为光滑, 从而有利于表面能的释放(图6(a)); 但这也会大大增加黏性耗散能(图6(b)).由于总能量来源(过剩表面能)和能量损耗(黏性耗散能)同属一个数量级[17], 最后支持液滴跳起的有效能量(动能)会随着黏性的增大而减少, 动能结果如图6(c)所示.3.2 惯性效应对聚并自弹跳行为的影响虽然图3和图7对应的分别是改变了黏性效应和惯性效应的结果, 但当Oh 数保持相同时, 这意味着两者共同作用的综合效应也是不变的, 因此在相同的无量纲时间下液滴界面的动力学变化也相同, 这说明其变化特性由Oh 数决定. 然而, 在有D i m e n s i o n l e s s j u m p i n g v e l o c i t y *Dimensionless time *D u r a t i o n t i m e D *图 4 (a) 不同黏度比时液滴质心处的无量纲弹跳速度; (b) 黏度变化对液滴跳离表面前所经历的各个阶段的无量纲持续时间的影响Fig. 4. (a) Dimensionless jumping velocity of droplet with different viscosity ratios; (b) effects of the change of viscosity on the di-mensionless duration of each stage prior to droplet jumping.(a)1/2(b)(c)(d)(e)(f)2(g)(h)(i)图 5 不同黏度比条件下流场的速度矢量图　(a), (d), (g) t * = 1.309; (b), (e), (h) t * = 2.686; (c), (f), (i) t * = 3.257Fig. 5. Vectors of flow field with different viscosity ratios: (a), (d), (g) t * = 1.309; (b), (e), (h) t * = 2.686; (c), (f), (i) t * = 3.257.量纲的真实时间中, 惯性效应和黏性效应却有很大的不同之处, 主要体现为黏度对液滴的聚并时间无影响, 而密度却与聚并所需时间t 紧密相关[30]:由于(19)式中聚并的真实时间t 与(12)式中时间尺度t ci 是线性关系, 所以改变密度会改变聚并的真实时间, 但不会改变其所需的无量纲时间. 另外,由此可知, 随着密度的减小, 事实上液滴聚并的真实时间会减小, 相应地也会更早地跳离表面. 在本S u r f a c e e n e r g y *sDimensionless time *0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5 4.8734.3482 ( =0.04)( =0.02)V i s c o u s d i s s i p a t i o n e n e r g y *v i s1/2 ( =0.01)3.916 (b)2 ( =0.04)( =0.02)1/2 ( =0.01)00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20(c)0.0620.122K i n e t i c e n e r g y *k0.172图 6 (a) 不同黏度比时聚并自弹跳过程中表面能的变化; (b) 不同黏度比的液滴在跳起时具有的黏性耗散能; (c) 不同黏度比的液滴在跳起时刻具有的动能Fig. 6. (a) Surface energy variation with different viscosity ratios during the coalescence and jumping process; (b) viscous dissipa-tion energy of jumping droplets with different viscosity ratios at departure time; (c) kinetic energy of jumping droplets with differ-ent viscosity ratios at departure time.1/4 ( =0.04)( =0.02)4 ( =0.01)(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)(m)(n)(o)图 7 不同密度比条件下液滴的聚并和自弹跳过程　(a), (f), (k) t * = 0.168; (b), (g), (l) t * = 0.604; (c), (h), (m) t * = 1.309;(d), (i), (n) t * = 2.686; (e), (j), (o) t * = 3.257Fig. 7. Coalescence and jumping process of droplets with different density ratios: (a), (f), (k) t * = 0.168; (b), (g), (l) t * = 0.604;(c), (h), (m) t * = 1.309; (d), (i), (n) t * = 2.686; (e), (j), (o) t * = 3.257.D i m e n s i o n l e s s j u m p i n g v e l o c i t y *Dimensionless time *图 8 (a) 密度变化对液滴跳离表面前所经历的各个阶段的无量纲持续时间的影响; (b) 密度变化对液滴跳离表面前所经历的各个阶段的真实持续时间的影响; (c)不同密度比时液滴质心处的无量纲弹跳速度Fig. 8. (a) Effect of the change of density on the dimension-less duration of each stage prior to droplet jumping; (b) ef-fect of the change of density on the real time of each stage prior to droplet jumping; (c) dimensionless jumping velo-city of droplet with different density ratios.0.030.060.090.120.150.180.210.24(c)K i n e t i c e n e r g y *k0.0540.1220.2111/4 ( =0.04) ( =0.02)4 ( =0.04)图 9 (a) 不同密度比时聚并自弹跳过程中表面能的变化;(b) 不同密度比的液滴在跳起时具有的黏性耗散能; (c) 不同密度比的液滴在跳起时具有的动能Fig. 9. (a) Surface energy variation with different density ratios during the coalescence and jumping process; (b) vis-cous dissipation energy of jumping droplets with different density ratios at departure time; (c) kinetic energy of jump-ing droplets with different density ratios at departure time.变(12)式中的特征速度, 由于本算例中密度比较小的液滴的特征速度要大于1, 而密度比较大的液滴的特征速度小于1, 因此实际上质量较小的液滴的真实弹跳速度要比质量大的液滴的真实弹跳速度更大一些, 这一变化趋势与其对应的无量纲速度的大小趋势正好相反.当Oh相同时, 图6(a)和图9(a)的表面能的变化曲线是基本一样的, 这也证明了之前的结论:液滴在聚并自弹跳过程中的动力学变化由Oh数决定. 密度较小的液滴的惯性效应小且黏性效应大, 在聚并后界面更光滑, 虽然可以释放较多的过剩表面能(图9(a)), 但其跳起时黏性耗散能更大(图9(b)), 过剩表面能的增量不能抵消黏性耗散能的增量所来带的负面影响, 因此质量大的液滴具有更大的动能(图9(c)). 从图10的流场速度矢量也可以看出, 密度比较大的液滴内部的流动剧烈. 这一结果也意味着即使密度小的液滴跳离表面所需的真实时间少并且真实弹跳速度大, 但减小密度比仍不利于液滴的自弹跳.4 物性参数变化与液滴自弹跳动力学特性变化的关联分析4.1 灰色关联度的计算液滴跳离表面时的弹跳速度和液滴与表面的接触时间这两个参数一直是评价液滴自弹跳及超疏水表面性能优劣的依据之一. 由前文的研究内容可知, 物性参数的改变对弹跳速度及接触时间均有影响, 但目前还无人给出这些物性参数与二者之间的远近程度. 因此本文应用灰色关联法[31], 计算了物性参数(黏度和密度)变化分别与有量纲的真实弹跳速度和有量纲的真实接触时间之间的灰色关联度.√2√2灰色关联法具有统计的样本少, 且样本无需具有经典分布等特点, 通过计算系统中的比较序列(物性参数)与参考序列(分别是真实弹跳速度和真实脱离时间)之间的关联度(即关联性大小)来度量数据之间的关联强度情况. 为了得到比较序列的更为精确的变化趋势, 本文中比较序列的结果取自于9组算例(1/2µ, 2µ, /2µ, µ, 1/4r, 4r, 1/2r, 2r和20 ℃对应的标准值), 考虑到参考序列有两列, 故分别做两次灰色关联度的计算. 灰色关联分析通常包括以下4步:x′0={x′0(k)|k=1,2,···,n}x′i= {x′i(k)|k=1,2,···,n},i=1,2,···,m1)确定参考序列和比较序列: 设参考序列为, 比较数列为;x i(k)=x′i(k)1m∑mk−1x′i(k),i=0, 1,···,m2)选用均值法对原始数据进行变换, 消除量级和量纲的影响:;(a)1/4(b)(c)(d)(e)(f)4(g)(h)(i)图 10 不同密度比条件下流场的速度矢量图　(a), (d), (g) t* = 1.309; (b), (e), (h) t* = 2.686; (c), (f), (i) t* = 3.257 Fig. 10. Vectors of flow field with different density ratios: (a), (d), (g) t* = 1.309; (b), (e), (h) t* = 2.686; (c), (f), (i) t* = 3.257.ξi (k )=(a +εb )/(|x 0(k )−x i (k )|+εb )a =min imin k|x 0(k )−x i (k )|b =max imax k|x 0(k )−x i (k )|ε(0<ε<1)3)计算参考序列和比较序列之间的灰色关联系数: , 其中两级最小差a 与两级最大差b 分别为和 ,分辨率为 , 通常取0.5;r 0i =1N∑Ni =1ξi (k )4)计算关联度值: , 排列灰色关联序列, 得到结果.4.2 关联度结果分析物性参数变化(黏度和密度)分别与真实弹跳速度和真实接触时间的关联结果由表2给出. 当黏度和密度变化同等倍数时, 黏度引起的Oh 数的变化范围更大; 另一方面, 黏度的改变直接地影响了黏性耗散能的多少, 而黏性耗散能在数值大小方面比跟密度相关的动能的数值高一个量级, 因此比较序列中黏度的变化与参考序列中的真实弹跳速度的关联性更高.由于黏度变化对液滴聚并的真实时间基本无影响, 而密度的变化不仅会改变聚并的真实时间,甚至于对前3个阶段的真实持续时间均有影响, 故密度的变化与参考序列中的真实接触时间关联性更高.5 结　论本文采用三维VOF 方法对液滴的聚并自弹跳行为进行了数值模拟, 不仅关注了黏度效应和惯性效应对液滴的聚并自弹跳特性的影响, 同时对所有能量项进行了计算, 最后根据灰色关联法得到的结果, 给出了物性参数(黏度和密度)变化分别与液滴跳离表面时的真实弹跳速度和真实接触时间的关联程度.根据弹跳速度的变化趋势, 液滴的聚并自弹跳运动可分为4个阶段, 即液桥扩张、液桥撞击表面、液滴跳离表面和空中减速振荡. 在无量纲的时间条件下, 液滴的聚并自弹跳的动力学特性仅受Oh 数的影响, 与黏度比或密度比无关, 并且Oh 数的改变只影响液滴跳离表面的第3个运动阶段. 在真实的时间条件下, 黏度的改变不会影响液滴聚并所需的真实时间, 只会改变跳离表面这一阶段所需的真实时间; 而各个运动阶段所需的真实时间都会随着密度比的增大而增加. 另外, 无量纲的弹跳速度随着Oh 数的增大而减小, 增大黏度和密度都会减少液滴跳起时的真实弹跳速度. 根据灰色关联度的计算结果可知, 黏度的变化与真实弹跳速度的关联性更高, 而密度的变化与真实接触时间关联性更高.感谢亚琛工业大学(RWTH Aachen University)传热传质研究所(WSA)的Wilko Rohlfs 博士提供宝贵的意见和建议.参考文献B oreyko J B, ChenC H 2009 Phys. Rev. Lett. 103 184501[1]C hen X, Wu J, Ma R, Hua M, Koratkar N, Yao S, Wang Z2011 Adv. Funct. Mater. 21 4617[2]M iljkovic N, Enright R, Nam Y, Lopez K, Dou N, Sack J,Wang E N 2013 Nano Lett. 13 179[3]H e M, Ding Y, Chen J, Song Y 2016 ACS Nano 10 9456[4]H an T, Kwak H J, Kim J H, Kwon J T, Kim M H 2019Langmuir 35 9093[5]H ou Y, Yu M, Chen X, Wang Z, Yao S 2015 ACS Nano 9 71[6]Z hu J, Luo Y, Tian J, Li J, Gao X 2015 ACS Appl. Mater.Interfaces 7 10660[7]Z hao Y, Luo Y, Zhu J, Li J, Gao X 2015 ACS Appl. Mater.Interfaces 7 11719[8]W atson G S, Gellender M, Watson J A 2014 Biofouling 30427[9]W isdom K M, Watson J A, Qu X, Liu F, Watson G S, ChenC H 2013 Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 110 7992[10]C havez R L, Liu F, Feng J J, Chen C H 2016 Appl. Phys.Lett. 109 011601[11]B oreyko J B, Collier C P 2013 ACS Nano 7 1618[12]W iedenheft K F, Guo H A, Qu X, Boreyko J B, Liu F, ZhangK, Eid F, Choudhury A, Li Z, Chen C H 2017 Appl. Phys.Lett. 110 141601[13]L iu F, Ghigliotti G, Feng J J, Chen C H 2014 J. Fluid Mech.752 39[14]L iu F, Ghigliotti G, Feng J J, Chen C H 2014 J. Fluid Mech.752 22[15]F arokhirad S, Morris J F, Lee T 2015 Phys. Fluids 27 102102[16]F arokhirad S, Lee T 2017 Int. J. Multiphase Flow 95 220[17]S hi Y, Tang G H, Xia H H 2015 Int. J. Heat Mass Transfer88 445[18]W ang K, Li R, Liang Q, Jiang R, Zheng Y, Lan Z, Ma X2017 Appl. Phys. Lett. 111 061603[19]W ang Y, Ming P 2018 AIP Adv. 8 065320[20]表 2 物性参数变化分别与真实弹跳速度和真实接触时间的关联度Table 2. Relational degree of the change of physic-al parameters to the real jumping velocity and thereal contact time, respectively, at droplet departure time.参考序列/比较序列黏度µl 密度r l 关联度r 0i, velocity (弹跳速度)0.7580.684关联度r 0i, time (接触时间)0.7410.771W ang Y, Ming P 2019 Phys. Fluids 31 122108[21]W asserfall J, Figueiredo P, Kneer R, Rohlfs W, Pischke P 2017 Phys. Rev. Fluids 2 123601[22]K hatir Z, Kubiak K Z, Jimack P K, Mathia T G 2016 Appl.Therm. Eng. 106 1337[23]C hu F, Yuan Z, Zhang X, Wu X 2018 Int. J. Heat MassTransfer 121 315[24]A ttarzadeh R, Dolatabadi A 2017 Phys. Fluids 29 012104[25]L iang Z, Keblinski P 2015 Appl. Phys. Lett. 107 143105[26]G ao S, Liao Q, Liu W, Liu Z 2018 J. Phys. Chem. Lett. 9 13[27]W ang Y, Ming P 2021 J. Appl. Phys. 129 014702[28]L iu T Q, Sun W, Li X Q, Sun X Y, Ai H R 2014 Acta Phys.Sin. 63 086801 (in Chinese) [刘天庆, 孙玮, 李香琴, 孙相彧, 艾宏儒 2014 物理学报 63 086801][29]M outerde T, Nguyen T V, Takahashi H, Clanet C, Shimoyama I, Quéré D 2017 Phys. Rev. Fluids 2 112001 [30]W ang C Y, Duan Q Q, Zhou K, Yao J, Su M, Fu Y C, Ji J Y, Hong X, Liu X Q, Wang Z Y 2020 Acta Phys. Sin. 69 100701 (in Chinese) [王晨阳, 段倩倩, 周凯, 姚静, 苏敏, 傅意超, 纪俊羊, 洪鑫, 刘雪芹, 汪志勇 2020 物理学报 69 100701] [31]Effect and relational analysis of physical parameters oncoalescence-induced self-propelled jumping of droplets*Wang Yu -Hang 1) Yuan Meng 1) Ming Ping -Jian 2)†1) (College of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)2) (Sino-French Institute of Nuclear Engineering and Technology, Sun Yat-Sen University, Zhuhai 519082, China)( Received 15 October 2020; revised manuscript received 15 January 2021 )AbstractCoalescence-induced self-propelled jumping of droplets on superhydrophobic surfaces has been widely concerned because of a great number of potential applications such as in the enhancement of condensation heat transfer, self-cleaning and anti-icing. The droplet jumping phenomenon exists in a gas-liquid two-phase system, and the physical parameters of fluid cannot be ignored. However, there are few reports on the influence of physical parameters on droplet jumping dynamics at present. In this paper, the three-dimensional volume-of-fluid method is used to simulate the coalescence-induced self-propelled jumping behaviors of droplets, then the energy terms are studied, and finally the grey relational analysis method is used to calculate the relation degree of the change of physical parameters (the viscosity and the density) to the real jumping velocity and the real solid-liquid contact time at the droplet departure time, respectively. Based on the changing trend of jumping velocity, the process of coalescence-induced self-propelled jumping can be divided into four stages, namely, the expansion of liquid bridge, the impact between the liquid bridge and the surface, the droplet departure from the surface, and the deceleration and oscillation in the air. Under the condition of dimensionless time, the dynamic characteristics of coalescence and jumping of droplets are affected only by Oh number, which is independent of the viscosity and the density. In addition, the change of Oh number only affects the above third stage of droplet departure from the surface. Under the condition of real time, the varied viscosity has no connection with the real time of droplet coalescence, and it only changes the real time of the third stage before droplet jumping. Meanwhile, the dimensionless jumping velocity decreases with Oh number increasing, while the real jumping velocity increases when the viscosity and the density both descend. According to the calculated results of grey relational degree, the relation between the change of viscosity and the real jumping velocity is greater, while the relation between the change of density and the real contact time is greater. This work not only is favorable for a better understanding of droplet jumping, but also provides more ideas and theoretical bases for follow-up relevant studies.Keywords: physical parameters, droplet jumping, grey relational analysis, superhydrophobic surface PACS: 47.55.D–, 47.55.df, 47.61.Jd, 68.03.–g DOI: 10.7498/aps.70.20201714* Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51479038), the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (Grant No. HEUCFP201711), and the China Scholarship Council (Grant No.202006680020).† Corresponding author. E-mail: mingpj@。

气液界面及其在液滴生长中的应用

气液界面及其在液滴生长中的应用气液界面，顾名思义，就是气体与液体之间的交界面，或者说是气体和液体之间的分界线。

这个界面在物理学上有着非常重要的地位，具有很多特殊的性质。

比如说，气液界面的表面张力是很强的，液体会借助这个表面张力形成形态各异的液滴。

本文就来探讨一下气液界面在液滴生长中的应用。

1. 气液界面的表面张力表面张力，是指液体表面在接触到气体或固体时所产生的张力。

表面张力是一个基本的物理现象，可以用来解释很多现象。

液滴就是一种很好的例子。

液滴是由于液体表面张力的作用而形成的，液体表面张力越大，液滴的半径就越小，液滴的形态就越接近一个完美的球体。

2. 材料的表面能表面能，是指液体表面对外界的能量。

液体有一个固有的表面能，这个表面能跟材料的种类、表面性质、形状等等因素都有关系。

对于一个固定的液体和固定的固体，它们之间的接触角是固定的。

液滴就是由于表面能的变化而破裂，形成更小的液滴。

当液滴的半径达到了一定规模，表面能就会超过液滴的表面张力，液滴就会破裂成更小的液滴。

3. 气液界面在液滴生长中的应用液滴在生长过程中，液体分子会从液滴内部向表面移动。

这个过程叫做扩散，扩散过程中会消耗液滴的自由能，自由能的减少会促进液滴的生长。

气液界面的表面张力和液体内部的压力差，也会影响液滴的生长。

液滴生长的速度取决于气液界面的表面张力、液滴内部的压力变化以及液体的扩散速率等因素。

在实际应用中，液滴生长是一个非常重要的过程。

液滴的大小和形状都会影响到液体在别的介质中的稳定性和反应速率。

比如说，在制备纳米材料的途径中，利用液滴生长的方法可以获得很长的纳米线。

此外，液滴还可以被用来制备微流控芯片和微机械装置等器件。

总之，气液界面在液滴生长中起着核心的作用，液滴的形态和大小都与气液界面的表面张力、液体的表面能以及扩散速率等各个因素密切相关。

对于液滴生长过程的深入研究和工程应用，不仅可以推动纳米材料、微流控芯片的制备和发展，还可以拓宽液体与外界之间的交互接口，对于推动资本市场的发展也有着重要的意义。

材料表面润湿性与液滴扩散性能关系

材料表面润湿性与液滴扩散性能关系润湿性是描述液体在固体表面的展开程度的物理性质，而液滴扩散性能是指液滴在固体表面上扩散的速度和范围。

这两个性能在材料科学和工业领域中具有重要意义。

本文将探讨材料表面润湿性与液滴扩散性能之间的关系，并探讨其在不同领域的应用。

材料表面润湿性是指液体与固体表面之间相互作用的程度。

液滴在材料表面上展开的程度取决于液体与固体之间的相互作用力。

具有良好润湿性的材料能够使液滴在其表面上完全展开，并迅速扩散开来。

该性能对于涂覆、表面处理和液体传输等应用具有重要意义。

对于固体材料来说，表面润湿性与其表面能有着密切的关联。

表面能是一种描述固体表面分子间相互作用的物理性质，影响着液体与固体之间的界面现象。

表面能包括极性和非极性两部分。

极性表面能决定了固体与极性液体之间的作用力，而非极性表面能则决定了固体与非极性液体之间的作用力。

液滴在固体表面上的展开程度取决于液滴与固体之间的相互作用力大小。

当固体表面能与液体表面能相差不大时，液滴能够在固体上完全展开，并在表面上迅速扩散。

相反，固体表面能与液体表面能相差很大时，液滴无法在固体表面上展开，形成饱和气泡并滚落。

此外，材料表面的粗糙程度和化学成分也会影响润湿性。

较平滑的表面会使液滴更容易扩散，而较粗糙的表面会使液滴在表面上停留更长时间。

在化学成分方面，一些特殊的化学性质，例如低表面能材料或具有特定功能基团的材料，在表面润湿性方面具有特殊的效果。

与材料表面润湿性密切相关的是液滴扩散性能。

液滴扩散性能是指液滴在固体表面上扩散的速度和范围。

液滴扩散性能对于液滴湿润性和薄膜涂覆等方面具有重要意义。

液滴扩散性能取决于表面张力和表面形态。

较低的表面张力能够促使液滴更加容易扩散。

一些表面活性剂的添加可以降低表面张力，提高液滴的扩散性能。

表面形态也会影响液滴的扩散性能。

例如，凹凸不平的表面会使液滴扩散受到阻碍，而光滑表面则会促进扩散。

材料表面润湿性与液滴扩散性能在许多领域中具有重要应用。

微通道内液滴破裂与聚并动力学的研究

微通道内液滴破裂与聚并动力学的研究
微通道内液滴破裂与聚并动力学的研究
1. 研究背景
微通道是一种直径在微米级别的通道，因其具有高比表面积、高传质
速率、易于微流控制等特点，被广泛应用于微流体学、纳米技术和生
物医学等领域。

在微通道中，液滴是普遍存在的形态，液滴的破裂和
聚并动力学是微通道中常见的现象。

2. 液滴破裂机理
液滴在微通道中破裂的机理与几何形状、表面张力和流体力学性质有关。

当液滴流过微通道时，会受到微通道壁面的阻力作用，而壁面阻
力会通过液滴表面张力对液滴进行作用。

当壁面阻力超过表面张力时，液滴就会发生破裂。

3. 液滴聚并动力学
液滴在微通道中发生聚并的动力学机制十分复杂，受到一系列因素的
影响，包括流体流速、液滴大小、表面张力、电荷等因素。

液滴之间
的吸引力是影响聚并的重要因素，通常表现为范德华力和静电作用力。

4. 影响因素
在微通道中，影响液滴破裂和聚并动力学的因素包括流速、液滴大小、表面张力、电荷和壁面性质等。

此外，液滴的成分和流体物理性质也
都会对破裂和聚并产生重要的影响。

5. 应用前景
液滴破裂和聚并动力学在微流体学、纳米技术和生物医学等领域有着
广泛的应用前景。

研究液滴破裂和聚并的动力学机制有利于深入理解
微通道中的流体运动规律，进一步推动微流体学和纳米技术的发展。

总之，液滴破裂和聚并动力学的研究是微通道领域中的重要研究内容，它对于深入理解微流体学和纳米技术的基本规律有着十分重要的意义。

继续深入开展液滴破裂和聚并动力学的研究，有望为相关领域的应用
提供更加精确、可靠的理论基础。

液滴与固体界面相互作用的研究

液滴与固体界面相互作用的研究引言液滴与固体界面相互作用是一项重要的科研领域，涉及到物理、化学、材料等多个学科的知识。

液滴在生物、医药、化工等各个领域都有广泛的应用，理解液滴与固体界面的相互作用对于优化液滴的性质和应用具有重要意义。

本文将介绍液滴与固体界面相互作用的研究进展，包括液滴在固体界面上的接触角、表面张力、液滴形状变化等方面的研究结果。

液滴接触角的测量接触角是描述液滴与固体界面相互作用的重要参数之一，它可以反映液滴在固体界面上的稳定性和亲水性/疏水性。

目前有许多方法可以测量液滴接触角，其中最常用的是联系角和静态接触角测量法。

联系角联系角是定义在液滴、气体和固体三相交界处的一个角度，可以用来表征液滴在固体界面上的稳定性。

接触角越小，表示液滴对固体的亲水性越好；接触角越大，表示液滴对固体的疏水性越好。

液滴与固体界面的相互作用可以通过联系角来描述，因此联系角的测量成为研究液滴与固体界面相互作用的重要手段之一。

静态接触角测量法静态接触角测量法是一种常用的测量液滴接触角的方法，它基于液滴在接触固体界面时的几何形状和物理特性。

静态接触角可以通过液滴与固体界面相互作用的平衡状态来测量和计算。

液滴在固体界面上的尺寸和形状可以通过高精度的显微镜观察和图像处理技术来测量，从而确定液滴的接触角。

静态接触角的测量方法需要考虑液滴的形状、表面张力、液滴与固体界面之间的相互作用等因素，因此需要进行详细的实验设计和数据处理。

表面张力的影响液滴的表面张力是液滴与固体界面相互作用的另一个重要参数。

表面张力是液体分子之间的相互作用力，它决定了液滴在固体界面上的形状和稳定性。

表面张力的大小取决于液体的种类、温度和压力等因素，同时也受到固体界面的影响。

表面张力对液滴的接触角、液滴的形状和液滴在固体界面上的运动等方面都有重要影响。

影响因素表面张力受到多个因素的影响，包括液体的种类、温度、压力等因素。

不同种类的液体具有不同的表面张力特性，如水和油的表面张力就有明显的差异。

材料物理学中的液滴研究

材料物理学中的液滴研究液滴是一种独特的物态，它既具有流体的特性，又具有固体的形态。

在材料科学中，液滴研究成为了一个热门领域，对于探究材料性质和制备新型材料有着重要意义。

液滴研究不仅具有基础性的学术意义，还具有广泛的工业应用价值，如纳米材料制备、微流控芯片、医学诊疗等领域。

本文将介绍材料物理学中的液滴研究相关内容。

1. 液滴的物理性质液滴的物理性质包括表面张力、表面能、粘度等，这些性质影响着液滴的形态、稳定性和运动行为。

表面张力是指在液滴表面单位长度上所需要的能量。

液滴表面的分子之间相互作用力会导致表面形成张力，该张力使得液滴表面趋向于最小化表面积。

液滴的表面张力大小取决于液体的性质和温度等因素。

当液滴与固体表面接触时，表面张力能够使液滴变为球形，从而减小了表面积，提高了稳定性。

表面能是指在液滴表面所需能量的总和。

表面能是表面张力的一种更广义的描述，它还包括固体表面张力和液体表面张力等。

表面能与液滴的化学成分、表面形态等有关。

通过对不同液滴表面能的测量，可以了解液滴化学成分、表面形态变化等信息。

粘度是液体阻碍流动的特性，与液滴的形态、稳定性和行为密切相关。

液体的粘度大小取决于液体的物理性质和温度等因素。

粘度大小一般与液體的黏度直接挂钩，黏度越小则流动性更好就越接近理想的牛顿流体。

2. 液滴与固体表面作用液滴与固体表面的作用常常被用来探究液滴的性质。

在液滴与固体表面接触时，液滴会收缩成为球形，这是因为液体表面张力使得液体表面趋向最小，而固体表面也具有表面张力，因此液滴表面会在固体表面上形成一个与之匹配的凸起。

除此之外，当液滴在固体表面上滑行或滚动时，会出现浸润现象，即液滴周围表面形成的一个凹形或凸形的水平区域。

浸润现象与液滴表面能、固体表面性质等因素有关，是探究液滴与固体表面作用的重要方法之一。

3. 液滴的形态和稳定性液滴的形态和稳定性对于材料研究和应用有着至关重要的作用。

液滴稳定性受到表面张力、液体粘度、液滴形态等多种因素的影响。

物理化学界面现象教案中的界面浸润与液体排斥

物理化学界面现象教案中的界面浸润与液体排斥在物理化学的学习中，界面现象是一个重要的概念。

它涉及到液体、固体和气体之间的相互作用，其中界面浸润和液体排斥是主要的现象之一。

本文将介绍界面浸润和液体排斥的定义、原理以及实际应用。

一、界面浸润界面浸润是指液体在固体表面上的扩展现象。

当一个液滴接触到固体表面时，有时液滴会完全展开，与固体表面紧密接触，这就是界面浸润。

而对于某些固体表面，液滴不会完全展开，而是形成球状，只与固体表面接触一小部分，这就是非浸润。

界面浸润是由表面张力和界面张力共同作用导致的。

表面张力使液滴减小表面积，趋向于形成球状，而界面张力使液滴与固体表面发生相互作用，导致液滴展开或收缩。

对于完全浸润，液滴的自由能最小化，而对于非浸润，液滴的接触角大于90度。

界面浸润是很多实际应用中的重要现象。

例如，涂层技术中需要涂覆剂液体与基材表面的界面浸润，以保证涂层的均匀性和附着力。

在石油工业中，界面浸润可以用来控制液相在油井中的流动状态。

此外，还有许多其他领域也涉及到界面浸润的研究和应用。

二、液体排斥液体排斥是指界面上两种液体相互排斥的现象。

当不溶的液体接触到界面时，它们会排斥彼此，尽量减小界面的接触面积。

这个现象也被称为液液相互斥。

液体排斥是由于两种液体之间的相互作用力不同造成的。

根据溶液的成分和性质，液体之间会发生不同的相互作用。

如果两种液体之间的相互作用力较小，就会出现液体排斥现象，液体会在界面上形成两个分离的相。

液体排斥也有广泛的应用。

例如，液液萃取、液体色谱和乳化等过程都依赖于液体排斥现象。

此外，在微流体技术中，液体排斥也被用于分离和混合微小液滴。

总结：在物理化学界面现象教案中，界面浸润和液体排斥是两个重要的概念。

界面浸润描述了液体在固体表面的扩展现象，涉及到表面张力和界面张力的相互作用。

液体排斥则是液体在界面上相互排斥的现象，由液体之间的相互作用力决定。

界面浸润和液体排斥在许多实际应用中都起着重要的作用，如涂层技术、石油工业和微流体技术等。

界面张力对流体性能的影响研究

界面张力对流体性能的影响研究引言界面张力是指两种不同物质间界面上的表面张力，是物质表面性质的重要参数。

在流体力学中，界面张力对流体性能有着重要的影响。

本文将对界面张力对流体性能的影响进行研究，并探讨其应用领域。

界面张力的定义与特性界面张力是指两种不同物质间界面上的表面张力。

表面张力是指液体分子在表面上的合力作用，使表面趋于最小化。

界面则指两种不同物质的接触面。

界面张力是液体分子间的相互作用力和电势能的结果，与分子间相对排列有关。

从定义上来看，界面张力具有以下特性：•界面张力是两种不同物质的物理性质。

•界面张力使液体表面趋于最小化，表现为液体呈现球形。

界面张力对流体性能的影响界面张力对流体性能的影响主要体现在以下几个方面：1. 表面张力与液体流动阻力的关系表面张力的存在使得液体流动时会受到阻力的影响。

由于表面张力使液体呈现球形，因此在液体流动时形成了滞留区域，增加了液体的黏性，使得流体的流动阻力增大。

2. 液体粘度与界面张力的关系界面张力与液体粘度之间存在一定的关系。

界面张力较大的液体往往具有较高的粘度，反之亦然。

这是因为界面张力的增大使得液体内部分子间的相对排列更加紧密，分子间的相互作用力增大，从而增加了液体的黏性。

3. 液体的表面活性剂界面张力对液体的表面活性剂有着重要的影响。

表面活性剂是指可在液体表面降低表面张力的物质。

界面张力与表面活性剂之间的相互作用决定了表面活性剂的效果。

当界面张力较大时，表面活性剂的效果较明显，可以在液体表面形成较大的分子聚集体，从而降低了液体的表面张力。

4. 液体的润湿性界面张力对液体的润湿性也有一定的影响。

润湿性是指液体与固体接触时的湿润程度。

界面张力较大的液体往往难以湿润固体表面，而界面张力较小的液体则容易湿润固体表面。

5. 液滴的形状界面张力对液滴的形状也有重要的影响。

液滴是液体固-气界面的一种特殊形态。

液滴的形状主要由液体的表面张力和重力的相互作用决定。

当界面张力较大时，液滴更容易形成球形，而界面张力较小时，液滴的形状更易被重力影响。

阻止液滴的聚结

3.乳化剂的作用原理包括降低界面张力、在分散相表面形成吸附膜、形成胶团。 4.乳化剂的亲水亲油平衡值用 HLB 表示，值越高表明乳化剂亲水性越强，反之亲油性越强。 5.食品中乳化剂的使用要注意合法性、科学性、安全性。
知识点补充卵磷脂
功效： 1. 美容养颜； 2. 降脂减肥； 3. 软化血管。
食品乳化剂
食品化学
目录
01 基本概念 02 结构原理 03 食品应用
实验
搅拌
什么是乳浊液？
乳浊液是两种不相容的液体其中一种液体以小液滴的形式分散在另一种液体之中形成的混合物。
实验
乳化剂
搅拌搅拌
静置静置
乳化剂是指添加于食品后可显著降低油水两相界面张力，使互不相溶的疏水性物质和亲水性物质形成稳定乳浊液的食品添加剂。
乳化是一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶的另一种液体中的作用。
什么是乳化剂？什么是乳化？
乳浊液类型
乳浊液的类型
水包油型（O/W）
油包水型（W/O）
乳浊液
多重型（W/O/W）
1. 分子结构分子结构特点：两亲性
亲水基亲油基
水油
水包油型（O/W）
油水
油包水型（W/O）
2. 作用机理
(2)形成界面吸附膜，表面张力降到最低。
(3)形成胶束或反胶束。
3. 量化标准（HLB值）
止液滴的聚结。织结构，即界面吸附膜，可以阻止液滴的聚结。
亲水亲油平衡值：表示乳化剂乳化能力的差别。
水蛋白质糖类脂肪源自乳化剂改善水乳化剂蛋白质
脂肪糖类
（1）合法性
不是所有的表面活性剂都可以作为食品乳化剂，各个国家对食品添加剂有严格的法律规定，必须使用法律允许的食品乳化剂，我国乳化剂的使用要符合食品添加剂使用国标（GB2760）。