任輝，王宏，2，朱恂，2，陳蓉，2，廖強(qiáng)，2，丁玉棟，2

（1重慶大學(xué)工程熱物理研究所，重慶 400030；2低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030）

引 言

液滴的定向運(yùn)動(dòng)在自然過(guò)程中廣泛存在，例如，沙漠甲蟲(chóng)利用其背部特殊的親疏水結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水的收集和定向運(yùn)動(dòng)[1]；仙人掌使用圓錐形的尖刺來(lái)提供拉普拉斯壓力梯度[2]，從而將水輸送到其底部。在生產(chǎn)生活中，液滴定向運(yùn)動(dòng)也被廣泛應(yīng)用于自清潔[3-5]、傳熱強(qiáng)化[6-9]、霧滴捕集[10-12]、生物化學(xué)[13-15]等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，液滴的精確操控越來(lái)越受到人們關(guān)注，如何實(shí)現(xiàn)液滴的定向運(yùn)動(dòng)也成為眾多學(xué)者密切關(guān)注和不斷探索的問(wèn)題。

液滴在表面的運(yùn)動(dòng)是流體與固體壁面相互作用的結(jié)果。因此，有學(xué)者通過(guò)構(gòu)建表面化學(xué)梯度或結(jié)構(gòu)梯度等方式使表面的潤(rùn)濕性梯度化，以此使得液滴在表面上定向運(yùn)動(dòng)。1992年，Chaudhury等[16]利用化學(xué)沉積法構(gòu)建了具有表面能量梯度的表面，使得液滴在傾斜的基底上自發(fā)地從疏水端向親水端沿斜面向上運(yùn)動(dòng)；Daniel等[17]通過(guò)氣相沉積辛基三氯硅烷在硅片表面形成了徑向化學(xué)梯度，使得冷凝過(guò)程中，冷凝液快速向表面邊緣運(yùn)動(dòng)，并掃除了沿途的冷凝液，提高了傳熱效率；Zheng等[18]觀察到蛛絲的定向集水過(guò)程，通過(guò)對(duì)蛛絲的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察、分析，并使用納米纖維對(duì)其進(jìn)行模仿、重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了液滴的收集和定向運(yùn)動(dòng)；Yan等[19]通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極氧化方法在銅網(wǎng)表面上形成了具有密度梯度的Cu(OH)2，實(shí)現(xiàn)銅網(wǎng)表面上油滴的單向運(yùn)動(dòng)和水的選擇性滲透，這有利于油水混合物的快速分離，提高了油水分離的效率；Chen等[20]利用激光加工技術(shù)在Ti基板上加工了深度梯度變化的溝槽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了液滴在表面上的單向運(yùn)動(dòng)；Yang等[21]將超疏水磁膜與電磁柱陣列結(jié)合，利用磁力使磁膜表面發(fā)生變形進(jìn)而引導(dǎo)表面上的液滴運(yùn)動(dòng)。

上述研究表明通過(guò)改變表面化學(xué)組成或結(jié)構(gòu)的方法對(duì)表面的潤(rùn)濕性進(jìn)行調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)液滴的定向輸運(yùn)功能，不僅深化了人們對(duì)流體復(fù)雜界面現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為微流控技術(shù)、表面工程、能源化工等領(lǐng)域中流體輸運(yùn)和操控方法開(kāi)拓出新的研究方向。正是基于界面非平衡表面力所帶來(lái)的界面效應(yīng)，很多學(xué)者在表面潤(rùn)濕性梯度的設(shè)計(jì)和加工方面做了很深入的探討，獲得了很多極具特色的表面結(jié)構(gòu)[22-23]，但是相應(yīng)的加工技術(shù)要求嚴(yán)苛、成本較高?；诖?，本文提出了利用潤(rùn)濕性圖案表面產(chǎn)生的非平衡力，并結(jié)合液滴撞擊的能量，實(shí)現(xiàn)撞擊液滴的定向彈跳控制，使液滴能夠在表面快速定向運(yùn)動(dòng)。

液滴撞擊固體表面的運(yùn)動(dòng)特性受到表面條件、液滴屬性和撞擊條件等因素的影響[24-26]，本文采用可視化手段探究總結(jié)了親水條紋的尺寸、撞擊液滴速度、液滴撞擊位置對(duì)潤(rùn)濕性圖案表面上撞擊液滴分裂定向彈跳運(yùn)動(dòng)的影響。對(duì)液滴定向彈跳行為的研究有助于拓展表面潤(rùn)濕性功能材料在化工、能源以及微流控等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)表面的制備及表征

本實(shí)驗(yàn)中所使用的原始表面采用化學(xué)合成法與表面噴涂的方式得到，其制備流程簡(jiǎn)述如下。首先，通過(guò)浸泡、離心、干燥的方法使用十七氟(1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷)對(duì)二氧化鈦（P25）納米粉末進(jìn)行疏水改性，得到具有疏水性質(zhì)的二氧化鈦粉末。將0.67 g聚偏氟乙烯粉末超聲分散到20 g二甲基甲酰胺中，得到化學(xué)合成所需的前體溶液。隨后，將0.9 g疏水改性后的二氧化鈦粉末加入到分散均勻的前體溶液中并磁力攪拌至混合均勻。此后，依次加入一定比例的3-氨丙基三乙氧基硅烷、十二烷基苯磺酸鈉、氨水，混合均勻后在45℃條件下反應(yīng)2 h。最后，將得到的合成物均勻噴涂到基底上，120℃干燥1 h，得到具有疏水性質(zhì)的表面。利用動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x(XCT-CAMC33)與去離子水對(duì)表面接觸角進(jìn)行測(cè)量，得到5μl液滴在疏水表面上的接觸角(CA)約為155°。

所制備的疏水表面中含有大量的二氧化鈦，由于二氧化鈦出色的光催化性能，在紫外線的照射下疏水改性過(guò)程中嫁接在二氧化鈦表面的疏水基團(tuán)會(huì)催化分解[27-30]，使得表面的潤(rùn)濕性發(fā)生改變。用具有一定圖案的掩膜覆蓋表面，隨后進(jìn)行紫外曝光，表面上就會(huì)形成具有特殊形狀的親水區(qū)域。圖1(a)所示是將表面覆蓋掩膜并在強(qiáng)度為60 mW/cm2的紫外線下曝光1 h后形成的親水字樣。因此，通過(guò)掩膜覆蓋表面并在強(qiáng)度為60 mW/cm2的紫外線下曝光1 h的方法得到液滴撞擊實(shí)驗(yàn)所需的親-疏水表面，其示意圖如圖1(b)所示。

圖1 潤(rùn)濕性圖案表面Fig.1 Wettability-patterned surface

1.2 液滴撞擊實(shí)驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)置

液滴撞擊表面可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2(a)所示。實(shí)驗(yàn)中工質(zhì)選擇為去離子水，由微量注射泵控制撞擊液滴的量，每次所滴的液滴體積為15μl，質(zhì)量為15.5 mg，實(shí)驗(yàn)中液滴的質(zhì)量均通過(guò)稱重法計(jì)算得到。可通過(guò)調(diào)節(jié)連接針管的升降臺(tái)調(diào)整針管高度，控制實(shí)驗(yàn)中液滴的撞擊速度。表面的位置通過(guò)三維移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。液滴撞擊表面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程使用兩臺(tái)高速攝像機(jī)分別從x與y方向進(jìn)行記錄，拍攝速率分別為2000幀/秒和1000幀/秒，曝光時(shí)間分別為490μs和990μs，光圈分別為f/4和f/5.6，兩臺(tái)相機(jī)的分辨率均為1024×1024。隨后通過(guò)圖像處理軟件i-speed進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置示意圖Fig.2 Schematic view of the experimental setup and experimental parameters setting

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及的液滴撞擊速度、分裂液滴的彈跳距離和質(zhì)量等參數(shù)是通過(guò)公式計(jì)算或圖像處理得到的。因此，為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了誤差分析。對(duì)于計(jì)算得到的參數(shù)使用如下誤差傳遞公式進(jìn)行計(jì)算：

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所涉及的主要參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)中所用的測(cè)試表面為帶有一條親水條紋的超疏水表面。測(cè)試過(guò)程中采用帶有不同寬度親水條紋的表面探究了親水條紋尺寸對(duì)液滴撞擊表面后運(yùn)動(dòng)行為的影響。液滴撞擊表面時(shí)的接觸位置為液滴撞擊點(diǎn)位置，其距離條紋中心的距離定義為偏移距離，實(shí)驗(yàn)中的偏移距離分別設(shè)置為1、2和3 mm。在每一種偏移距離下通過(guò)調(diào)整針管高度，即距表面10 mm變化至60 mm，每次調(diào)整高度增加5 mm，以此獲得液滴撞擊表面速度對(duì)后續(xù)運(yùn)動(dòng)行為的影響。上述參數(shù)設(shè)置示意如圖2(b)所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 1 Experimental parameters setting

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 液滴撞擊表面后側(cè)向彈跳的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

液滴撞擊疏水表面會(huì)經(jīng)歷鋪展、回縮、彈跳等過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中分別從x、y兩個(gè)方位對(duì)液滴撞擊表面后的行為進(jìn)行了觀測(cè)和記錄，圖3為液滴撞擊表面后不同運(yùn)動(dòng)行為的示意圖，其中坐標(biāo)中心為液滴撞擊點(diǎn)，0時(shí)刻為液滴接觸表面時(shí)刻。當(dāng)撞擊點(diǎn)與條紋中心重合，液滴撞擊表面鋪展回縮后垂直向上拉伸，隨后滯留在條紋處，如圖3(a)所示。調(diào)整液滴撞擊表面的位置，使撞擊點(diǎn)偏離條紋中心，發(fā)現(xiàn)撞擊表面后液滴分裂，并且分裂液滴向親水條紋一側(cè)運(yùn)動(dòng)，如圖3(b)所示。為了更加深入地分析液滴撞擊表面后產(chǎn)生不同運(yùn)動(dòng)行為的原因，提取了上述過(guò)程中x、y方向上液滴兩側(cè)鋪展距離的變化，如圖3(c)、(d)所示。結(jié)合圖3(a)、(c)可知，當(dāng)液滴撞擊條紋中心時(shí)，在x方向與y方向上以撞擊點(diǎn)為中心，液滴兩側(cè)的鋪展距離先增加后減小，兩側(cè)的鋪展回縮過(guò)程是對(duì)稱的，液滴兩側(cè)的形態(tài)也以撞擊點(diǎn)為中心軸對(duì)稱。此時(shí)，液滴內(nèi)部徑向指向撞擊點(diǎn)的合力為零，沒(méi)有產(chǎn)生可使液滴發(fā)生橫向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，液滴撞擊表面后垂直向上運(yùn)動(dòng)。而由圖3(b)、(d)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液滴偏移親水條紋中心撞擊表面時(shí)，液滴向條紋一側(cè)彈跳。從圖3(b)、(d)中x方向上的液滴形態(tài)以及液滴兩側(cè)的鋪展變化規(guī)律可知，由于親水條紋對(duì)液滴三相線移動(dòng)的釘扎作用，使得回縮過(guò)程中液滴右側(cè)在條紋處移動(dòng)速度降低而液滴左側(cè)繼續(xù)回縮，液滴中心兩側(cè)的回縮速度出現(xiàn)了差異，回縮形態(tài)出現(xiàn)了不對(duì)稱，造成液滴內(nèi)部沿徑向方向上的合力不再為零，從而導(dǎo)致了液滴在x方向上向親水條紋側(cè)偏移。

此外，對(duì)比圖3(b)、(d)中x與y方向上液滴兩側(cè)的形態(tài)和鋪展距離可知：在y方向上，液滴撞擊表面后液滴兩側(cè)鋪展回縮的趨勢(shì)一致，并且y方向上液滴兩側(cè)的形態(tài)相同；而在x方向上，液滴左右兩側(cè)在回縮過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和形態(tài)差異大。因此，不平衡徑向力主要產(chǎn)生于x方向上，液滴在x方向上側(cè)向彈跳，在y方向上無(wú)液滴的側(cè)向彈跳運(yùn)動(dòng)。隨后，提取了x方向上液滴兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)速度，如圖4所示。從圖4可知，液滴右側(cè)邊緣約在7.5 ms時(shí)回縮至親水條紋處，此時(shí)液滴左右兩側(cè)的速度出現(xiàn)明顯差異，隨后液滴右側(cè)的回縮速度減小至0不再回縮，而液滴左側(cè)繼續(xù)回縮。同時(shí)從圖3(b)中x方向上的液滴形態(tài)可知，相對(duì)于液滴右側(cè)曲面形狀，液滴左側(cè)形成曲率半徑較小的曲面，這可能會(huì)使得液滴內(nèi)部由于表面張力導(dǎo)致的附加壓力出現(xiàn)不同。因此，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)液滴內(nèi)部的壓力分布進(jìn)行了探究分析。

圖3 液滴撞擊表面后的不同形態(tài)演變Fig.3 Different morphological evolution of droplets after impacting the surface

圖4 x方向上液滴兩側(cè)的速度變化曲線(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊偏移距離2 mm,撞擊高度20 mm)Fig.4 The velocity change curve on both sides of the droplet in the x direction(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,N=2 mm,impact height:20 mm)

使用Fluent軟件，采用結(jié)合VOF方法與Levelset方法優(yōu)點(diǎn)的CLSVOF方法對(duì)液滴在圖案表面的鋪展回縮過(guò)程進(jìn)行模擬，建立了如圖5(a)所示三維模型。VOF方法通過(guò)定義體積分?jǐn)?shù)α追蹤界面，其控制方程如式(2)所示。α的定義為單元中流體體積與單元體積之比，α=1為單元中充滿液體，α=0為單元中充滿氣體，相界面為0<α<1。

式中,U為速度，t為時(shí)間。

Level-set方法是定義相界面的有符號(hào)距離函數(shù)，相界面為隱式函數(shù)的零等值面，可以表示為φ(x,t)=0。在兩相流系統(tǒng)中有：

式中,d是相界面距離，φ的控制方程為：

對(duì)于不可壓縮流體，其連續(xù)性方程和動(dòng)量方程如式(5)、式(6)所示：

其中，κ是界面曲率，由式（7）得到：

其中，a=1.5s，s是最小網(wǎng)格尺寸，界面法向量n計(jì)算如下：

模擬與實(shí)驗(yàn)采用相同的工況，計(jì)算工質(zhì)為水和空氣，空氣為連續(xù)相，水為離散相，液滴直徑為3 mm、速度為0.626 m/s，撞擊偏移距離為2 mm，親水條紋尺寸為9 mm×0.3 mm，表面疏水區(qū)域的接觸角為155°，親水區(qū)域的接觸角為31°。采用PISO算法對(duì)模型進(jìn)行求解，氣液界面重構(gòu)采用Geo-Reconstruct方法，動(dòng)量項(xiàng)和Level-set函數(shù)均采用二階迎風(fēng)格式，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)依據(jù)Courant number設(shè)定為10-7～10-6s。為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證以及模型驗(yàn)證，如圖5(b)、(c)所示。驗(yàn)證過(guò)程中定義了無(wú)量綱參數(shù)液滴鋪展系數(shù)β（β=D/Ddroplet），表示表面上液膜鋪展直徑D與液滴直徑Ddropet的比值。從圖5(b)中可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為108萬(wàn)個(gè)時(shí)，鋪展系數(shù)曲線在13 ms后明顯區(qū)別于另兩條曲線。而在網(wǎng)格數(shù)量為144萬(wàn)個(gè)和180萬(wàn)個(gè)時(shí)，計(jì)算得到的鋪展系數(shù)變化趨勢(shì)相同。因此，綜合考慮計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，確定計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)量為144萬(wàn)個(gè)。從圖5(c)中模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)曲線變化趨勢(shì)相似且數(shù)值相近，并且模擬和實(shí)驗(yàn)中的液滴具有相似的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。上述對(duì)比證明了本文模型的可行性。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型及驗(yàn)證Fig.5 Numerical calculation model and verification

圖6為通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的液滴內(nèi)部的壓力云圖?？梢钥闯觯?dāng)液滴撞擊表面后由于親水條紋的釘扎作用，液滴在回縮過(guò)程中左右形態(tài)不一致，導(dǎo)致了液滴內(nèi)部左側(cè)的壓力高于右側(cè)。這就進(jìn)一步促使液滴整體向右偏移，隨后液滴分裂向條紋一側(cè)運(yùn)動(dòng)。綜上，液滴偏移親水條紋中心撞擊表面后，在條紋的作用下可出現(xiàn)液滴分裂并向條紋一側(cè)彈跳的現(xiàn)象。表面親水條紋促使液滴側(cè)向運(yùn)動(dòng)的徑向力主要發(fā)生在x方向上，主要作用于液滴的回縮過(guò)程。而液滴撞擊潤(rùn)濕性圖案表面的側(cè)向分裂彈跳運(yùn)動(dòng)主要受到撞擊表面條紋尺寸、液滴速度和撞擊位置的影響，下面將討論各因素對(duì)液滴側(cè)向彈跳的影響。

圖6 撞擊液滴內(nèi)部的壓力分布云圖(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊偏移距離2 mm、撞擊高度20 mm)Fig.6 The pressure distribution cloud diagraminside the impacting droplet(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,N=2 mm,impact height:20 mm)

2.2 撞擊位置對(duì)液滴撞擊彈跳行為的影響

液滴撞擊表面的位置會(huì)影響液滴撞擊表面后的側(cè)向彈跳行為。因此，本文對(duì)比了在親水條紋長(zhǎng)9 mm、寬0.3 mm條件下，偏移距離N分別為1、2、3 mm時(shí)，液滴撞擊表面后側(cè)向彈跳的情況，探究了撞擊位置對(duì)液滴撞擊潤(rùn)濕性圖案表面后的側(cè)向彈跳行為的影響。

圖7記錄了液滴撞擊表面不同位置時(shí)，撞擊表面后分裂彈跳液滴占撞擊液滴質(zhì)量的百分比。由于主要關(guān)注表面親水條紋作用下撞擊液滴在表面上的定向彈跳運(yùn)動(dòng)，因此實(shí)驗(yàn)中，將液滴撞擊表面后被親水條紋捕獲滯留、液滴未分裂或撞擊后分裂的液滴無(wú)側(cè)向運(yùn)動(dòng)的情況，均視為無(wú)效工況，并將此時(shí)的液滴分裂質(zhì)量占撞擊液滴質(zhì)量的百分比記為0。從圖7中可以看出，當(dāng)撞擊點(diǎn)偏移距離為1 mm時(shí)，親水條紋對(duì)液滴撞擊表面后分裂彈跳行為的影響較小。盡管隨著液滴撞擊速度的增大，有較小質(zhì)量的分裂液滴產(chǎn)生，但是撞擊液滴大部分被親水條紋捕獲，滯留在表面，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖8(a)所示。在此條件下小液滴的分裂是由于液滴撞擊表面后回縮拉伸，液滴具有的能量克服表面能的作用，液滴拉伸后頂部收縮分裂出小液滴[31]。對(duì)比圖7中偏移2 mm時(shí)的液滴分裂質(zhì)量比可知，在偏移距離為2 mm時(shí)，液滴撞擊表面分裂后，分裂液滴的質(zhì)量較大，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖8(b)所示。并且，隨著撞擊高度增加，液滴的速度增加，分裂液滴的質(zhì)量也逐漸增加。在兩個(gè)偏移距離下，出現(xiàn)這樣的不同是因?yàn)樽矒舯砻婧笠旱卧阡佌惯^(guò)程中所覆蓋的親水條紋面積不同。從圖9(a)、(b)中的y方向視圖和示意圖可知，相較與偏移距離2 mm，撞擊偏移距離為1 mm時(shí)，液滴在y方向上與親水條紋的接觸長(zhǎng)度L更長(zhǎng)，液滴與親水條紋接觸的面積更大，因此液滴撞擊表面后需要更多的能量克服黏性摩擦做功。而當(dāng)撞擊液滴距離條紋較遠(yuǎn)時(shí)，液滴與親水條紋的接觸面積較小，所需要克服的黏性摩檫力小，因此有更多的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液滴分裂彈跳的能量。此外，液滴撞擊表面后鋪展回縮，當(dāng)液滴右側(cè)邊緣回縮至親水條紋處后被條紋固定停止運(yùn)動(dòng)，而左側(cè)繼續(xù)回縮直至液滴整體偏轉(zhuǎn)并拉伸分裂。此時(shí)，可將液滴右側(cè)被親水條紋固定后的液滴運(yùn)動(dòng)看作是以親水條紋處為支點(diǎn)的液滴拉伸偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其示意圖如圖10，可用式(10)表示液滴質(zhì)心相對(duì)于支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其中，I為液滴以親水條紋為支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m為液滴質(zhì)量，r為液滴質(zhì)心到轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)的距離。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，撞擊液滴的大小保持一致，m為定值，當(dāng)液滴撞擊表面的偏移距離不同，而其他條件相同時(shí)，偏移距離N越大，液滴撞擊表面后運(yùn)動(dòng)過(guò)程中質(zhì)心距親水條紋支點(diǎn)的距離r越大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I越大，越有利于液滴向條紋一側(cè)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所以，當(dāng)撞擊高度相同，液滴速度一定時(shí)，偏移距離N為2 mm更有利于液滴側(cè)向偏轉(zhuǎn)以及分裂彈跳。

圖7 液滴撞擊表面不同位置分裂質(zhì)量對(duì)比Fig.7 Comparison of split-massof droplet impacting surface at different positions

圖8 液滴撞擊表面不同位置運(yùn)動(dòng)行為對(duì)比(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊高度30 mm)Fig.8 Comparison of the motion behavior of the impact droplet at different positions on the surface(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,impact height:30 mm)

圖9 不同偏移距離N液滴撞擊表面與親水條紋接觸面積示意圖(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊高度30 mm)Fig.9 The contact area between impact droplet and hydrophilic stripe on the surface at different offset distances(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,impact height:30 mm)

圖10 液滴轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of droplet rotation

隨后，繼續(xù)增加液滴撞擊的偏移距離至3 mm。在此條件下，由于偏移距離過(guò)大，液滴撞擊速度較小時(shí)，撞擊鋪展后液滴無(wú)法與親水條紋接觸，其接觸示意見(jiàn)圖9(c)。此時(shí)，液滴撞擊表面疏水區(qū)域后垂直反彈，并在空中拉伸收縮后回落至表面，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖8(c)所示。此后，隨著撞擊速度的增加，液滴鋪展直徑增加，液滴與親水條紋接觸，在親水條紋的作用下，液滴分裂并向條紋一側(cè)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程與圖8(b)所示一致。

綜上，液滴撞擊帶有親水條紋的疏水表面后的側(cè)向彈跳行為受到液滴撞擊位置的影響，液滴撞擊位置與親水區(qū)域較近時(shí)，液滴與親水條紋的接觸面積增加，撞擊表面后液滴需用于克服摩擦力做功的能量增加，并且撞擊偏移距離較近時(shí)液滴偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，這些均不利于撞擊液滴偏轉(zhuǎn)分裂，從而大部分液滴釘扎在親水區(qū)域；當(dāng)液滴撞擊位置偏離親水條紋太遠(yuǎn)，液滴撞擊表面鋪展后無(wú)法與親水區(qū)域接觸，親水條紋失效，此時(shí)液滴撞擊在均質(zhì)的疏水區(qū)域，無(wú)法實(shí)現(xiàn)液滴分裂側(cè)向彈跳。因此，要發(fā)揮表面上親水條紋的作用，使得液滴撞擊表面后側(cè)向彈跳，需要控制液滴的撞擊位置在一定的范圍內(nèi)。通過(guò)本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，液滴的撞擊偏移距離應(yīng)控制在2 mm左右，而液滴撞擊表面的最佳偏移距離還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究。

2.3 親水條紋尺寸對(duì)液滴撞擊彈跳行為的影響

疏水表面上親水條紋的存在使得液滴撞擊表面后鋪展回縮過(guò)程中的動(dòng)態(tài)平衡被打破，產(chǎn)生了液滴側(cè)向分裂彈跳的現(xiàn)象。親水表面與液滴間的相互作用強(qiáng)，液滴容易浸潤(rùn)親水區(qū)域的微結(jié)構(gòu)，從而釘扎在親水部分。因此，與液滴接觸的親水區(qū)域的大小會(huì)直接影響到液滴撞擊表面后的行為。實(shí)驗(yàn)中，利用掩膜和紫外線照射表面的方法，在原始的疏水表面上形成了長(zhǎng)9 mm、寬0.5 mm（9 mm×0.5 mm）和長(zhǎng)9 mm、寬0.3 mm(9 mm×0.3 mm)的親水條紋，對(duì)比了親水區(qū)域尺寸對(duì)液滴撞擊表面?zhèn)认驈椞\(yùn)動(dòng)的影響。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，偏移距離為2 mm時(shí)，親水條紋寸尺對(duì)液滴撞擊表面后的側(cè)向彈跳行為影響顯著。因此，以撞擊偏移距離2 mm為例，討論了條紋尺寸對(duì)液滴撞擊彈跳行為的影響，如圖11所示。對(duì)比圖11中兩種親水條紋尺寸下的柱狀圖可知，液滴撞擊帶有9 mm×0.3 mm親水條紋的圖案表面更易分裂出大液滴，在撞擊高度為20 mm時(shí)就能分裂出80%以上質(zhì)量的液滴，而對(duì)于帶有9 mm×0.5 mm親水條紋的圖案表面，液滴在撞擊高度大于25 mm時(shí)才會(huì)有液滴分裂彈跳，當(dāng)撞擊高度大于等于45 mm才能分裂出較大質(zhì)量的液滴。兩個(gè)表面產(chǎn)生這樣的差異主要是因?yàn)橐旱巫矒舯砻婧笈c親水條紋接觸的面積不同，其接觸面積示意如圖12所示。液滴與親水條紋接觸的面積越大，撞擊表面后液滴在鋪展回縮過(guò)程中克服黏附力做功越多，黏性耗散越大。拉伸過(guò)程中，動(dòng)能無(wú)法克服表面能作用使液滴分裂彈跳[32-33]。因此，對(duì)于較寬的親水條紋，液滴撞擊表面后需要更多的能量來(lái)克服液滴與親水條紋之間的相互作用。所以，液滴撞擊9 mm×0.5 mm親水條紋表面后，需要更大的速度才能分裂彈跳出較大質(zhì)量的液滴。

圖11 液滴撞擊不同親水條紋表面分裂質(zhì)量對(duì)比Fig.11 Comparison of surface split-massof droplet impacting on different hydrophilic fringes

圖12 液滴與親水條紋接觸面積示意圖Fig.12 Schematic diagram of the contact area between droplets and hydrophilic stripes

通過(guò)對(duì)比液滴撞擊不同尺寸條紋表面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)條紋尺寸的不同會(huì)影響液滴撞擊表面后的液滴分裂結(jié)果。在撞擊偏移距離和液滴速度一定時(shí)，條紋越寬，液滴分裂彈跳的質(zhì)量越少。因此，可以通過(guò)改變親水條紋的尺寸，獲得不同質(zhì)量的分裂液滴，以此控制側(cè)向彈跳液滴的量。

2.4 撞擊速度對(duì)液滴撞擊彈跳行為的影響

液滴撞擊表面的速度不同會(huì)影響液滴撞擊潤(rùn)濕性圖案表面后的分裂和側(cè)向彈跳行為，本文通過(guò)調(diào)節(jié)針管高度改變撞擊液滴的速度，探究了不同的撞擊速度對(duì)液滴撞擊表面后分裂彈跳行為的影響。以偏移距離為2 mm時(shí)，液滴撞擊尺寸為9 mm×0.3 mm的親水條紋表面為例，提取了不同速度下液滴撞擊表面后的分裂液滴質(zhì)量占比和分裂液滴的側(cè)向彈跳距離，如圖13所示。當(dāng)針管高度大于20 mm，液滴撞擊表面后會(huì)分裂出較大質(zhì)量的液滴，隨著撞擊高度增加，液滴的速度增大，分裂液滴的質(zhì)量出現(xiàn)變化，但其變化趨勢(shì)較為平緩。而隨著液滴撞擊速度的增加，液滴撞擊表面后分裂液滴側(cè)向彈跳的距離不斷增加。液滴分裂質(zhì)量變化不大，但是分裂液滴彈跳距離增加是因?yàn)?，隨著撞擊速度的增加，液滴的最大鋪展面積A增加，一定偏移距離下，液滴與親水條紋的接觸面積Aa也隨著速度的增加而增加，但是相較于A，Aa是一個(gè)非常小的量。圖14為不同撞擊高度時(shí)Aa與A的比值，從圖14可知液滴撞擊表面后Aa/A均在4%左右。因此，相較于A，Aa是個(gè)小量，其變化對(duì)撞擊液滴分裂質(zhì)量的影響較小，因此不同撞擊高度下分裂液滴質(zhì)量所占撞擊液滴的質(zhì)量比變化較小。但是，隨著液滴速度的增加，液滴的初始動(dòng)能增加，液滴撞擊表面分裂后，有更多的剩余動(dòng)能使得液滴側(cè)向彈跳[34]。為了對(duì)這一現(xiàn)象有更加深入的了解，提取了不同速度的液滴撞擊表面后，液滴分裂時(shí)刻到分裂液滴落至表面時(shí)的沿x方向的平均速度，如圖15所示。從圖15中可以看到，隨著液滴速度的增加，液滴撞擊表面后，分裂液滴在x方向上的平均速度不斷增加，這更加直觀地證明了液滴動(dòng)能的增加，也促使液滴分裂后能彈跳更遠(yuǎn)的距離。

圖13 液滴速度與分裂質(zhì)量、彈跳距離的關(guān)系(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊偏移距離2 mm)Fig.13 The relationship between droplet velocity and splitmass/bounce distance(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,N=2 mm)

圖14 撞擊液滴和親水區(qū)域接觸面積與液滴最大鋪展面積之比(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊偏移距離2 mm)Fig.14 The ratio of the contact area between the impact droplet and the hydrophilic area to the maximum spread area of the droplet(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,N=2 mm)

圖15 分裂液滴x方向平均速度圖(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊偏移距離2 mm)Fig.15 The average velocity of the split droplet in the x direction(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,N=2 mm)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明了液滴速度會(huì)影響撞擊表面后的液滴分裂彈跳。隨著液滴速度的增加，撞擊表面后分裂彈跳的液滴質(zhì)量變化較小，但分裂液滴側(cè)向運(yùn)動(dòng)的距離不斷增加。通過(guò)調(diào)整液滴撞擊表面的速度可以對(duì)側(cè)向運(yùn)動(dòng)的液滴的質(zhì)量以及液滴側(cè)向運(yùn)動(dòng)的距離進(jìn)行調(diào)控。

3 結(jié) 論

液滴撞擊表面后會(huì)產(chǎn)生鋪展、回縮、彈跳、分裂等行為，改變表面性質(zhì)、液滴參數(shù)、撞擊條件可以影響液滴撞擊表面后的彈跳行為。利用潤(rùn)濕性圖案表面使液滴撞擊表面后定向分裂彈跳，實(shí)現(xiàn)了液滴的定向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)定向運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，可為水平表面上液滴運(yùn)動(dòng)的控制、換熱表面上液滴的定向快速掃除等研究提供新的思路。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)研究，得到了以下主要結(jié)論。

（1）疏水表面上親水條紋的存在主要影響了液滴撞擊表面后的回縮過(guò)程。表面潤(rùn)濕性的不均勻?qū)е乱旱位乜s過(guò)程中液滴中心兩側(cè)的形態(tài)產(chǎn)生差異，使得指向撞擊中心的徑向合力不為0以及液滴內(nèi)部壓力的不均勻，由此產(chǎn)生了液滴的側(cè)向彈跳。

（2）液滴撞擊表面的位置影響液滴的側(cè)向彈跳行為。液滴撞擊表面的位置需要控制在一定范圍內(nèi)才能充分發(fā)揮表面親水圖案對(duì)液滴側(cè)向彈跳的促進(jìn)作用。液滴以一定速度撞擊表面，若撞擊偏移距離太小，撞擊表面后液滴在鋪展過(guò)程中所覆蓋親水條紋的面積大，液滴需用于克服黏附力做功的能量增加，可用于液滴分裂彈跳的動(dòng)能越少，也使得有利于液滴側(cè)向偏轉(zhuǎn)分裂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，以至于撞擊液滴難以分裂彈跳；若液滴撞擊位置與親水條紋間的距離過(guò)大，會(huì)使得液滴撞擊表面后無(wú)法接觸親水區(qū)域，親水條紋失效，液滴無(wú)法側(cè)向彈跳。

（3）表面上親水區(qū)域的尺寸影響液滴撞擊表面后的側(cè)向彈跳行為。相同條件下，條紋越寬，液滴撞擊表面后與親水區(qū)域的接觸面積越大，液滴與親水區(qū)域的相互作用越強(qiáng)，液滴鋪展回縮過(guò)程中所耗散的能量越多，撞擊表面后更難以分裂出較大質(zhì)量的液滴并使其向條紋一側(cè)彈跳。因此，改變表面條紋的尺寸可以對(duì)側(cè)向運(yùn)動(dòng)的液滴的質(zhì)量加以控制。

（4）液滴的撞擊速度越大，液滴的初始動(dòng)能越大，一定條件下，液滴撞擊表面后分裂的質(zhì)量隨液滴撞擊速度的變化較小，但分裂液滴側(cè)向彈跳的距離隨著液滴撞擊速度的增加不斷增大。對(duì)液滴的速度加以控制可以控制液滴側(cè)向彈跳的質(zhì)量及距離。