...利用移動各向異性超疏水表面誘導液滴定向翻滾實現附著水高效脫附

2020-11-22 騰訊網

跨介質飛行器附著水層高效脫附技術是其技術鏈中最具挑戰性的關鍵一環。飛行器出水時，表面黏附水層會顯著增加出水阻力和負載。而且，由於水氣介質密度驟變，脫附分離的表面附著水層與周圍高壓空氣在飛行器尾部低壓區混合，形成氣-水兩相混流尾羽流，如遇降雨或水線飛濺，極易影響飛行器力學平衡，造成失穩。

自然界中，翠鳥等生物在漫長的進化過程中，具備了在雨中自由飛行、快速捕食及出水等功能（圖1）。早前，吉林大學任露泉院士團隊張成春教授已在界面領域專業期刊《Journal of Colloidand Interface Science》（影響因子為7.489）上發表了題為Non-wet kingfisher flying in the rain: The water-repellent mechanism of elastic feathers的論文，闡釋了翠鳥羽毛彈性如何影響其體表水的脫附行為。

圖1暴雨中飛行的翠鳥與方向性飛行誘導的雨滴定向彈離示意圖

近期，受飛行中的翠鳥不被潤溼且仍能變換任意飛行方向的啟示，張成春教授及鄭益華博士在《ACS Applied Materials& Interfaces》（界面領域TOP期刊，中科院一區，影響因子為8.456）上在線發表了題為Non-wet kingfisher flyingin the rain: The tumble of droplets on moving oriented anisotropic superhydrophobic substrate的論文。該研究從液滴動力學的角度，定量地揭示了方向性移動的各向異性超疏水界面上的動態去潤溼機理，為跨介質飛行器高效脫附、提高出水性能奠定了仿生理論基礎。

該原創性發現屬於「雨中飛行的非潤溼翠鳥(non-wet kingfisher flying in the rain)」系列研究的進一步延續。在實驗室環境下，連續性液滴撞擊在移動狀態下的翠鳥體表後能產生與速度矢量方向相關的飛濺行為，期間翠鳥始終保持體表非浸潤狀態（圖2）。

圖2移動翠鳥表面上多液滴的方向性濺射行為

基於液滴動力學分析結果表明，具有羽毛仿生結構的移動界面可以誘導液滴的非對稱形貌（圖3），夾角直接影響液滴內質量的分布形式。

圖3移動各向異性超疏水表面上液滴動態形貌與運動矢量夾角間的關係

與靜止的傾斜超疏水表面相比，各向異性仿生表面的定向運動促進了液滴的翻滾，並減少了高達23%的滯空時間（圖4（a））。基于格子玻爾茲曼算法的數值模擬結果表明，移動表面上液滴產生定向彈跳的根本原因是液滴在後退階段去「釘扎」矢量發生了單側方向性突變，且該類突變的程度與夾角正相關，表面得以有效地避免了同一區域的連續性潤溼（圖4（b））。因此，在雨中飛行的翠鳥體表上存在不同程度的液滴定向飛濺現象，且能維持體表非浸潤功能。

圖4移動各向異性超疏水表面上的液滴翻滾行為與定向彈跳機理分析

在室內定量模擬降水試驗系統中，多液滴連續衝擊飛行器超疏水表面後同樣會發生次級液滴群發生定向翻滾、彈跳現象（圖5），其降水衝擊荷載降低87.5%，超疏水表面飛行器幾乎不受降水的負面影響。

圖5跨介質飛行器防浸潤試驗及次級液滴的定向彈跳行為對比（運動狀態）

數值模擬結果進一步證實，在具有超疏水表面的跨介質飛行器模型上，運動可誘導類似的液滴群定向彈離行為。如圖6所示，通過追蹤9個液滴內部199個粒的跡線表明，具有超疏水表面的飛行器運動行為可誘導多液滴定向（向後）彈跳，彈跳方向與飛行器運動方向相反，這使得固液分離進程加快，液滴在衝擊移動超疏水表面後的跡線呈拋物線狀並產生規律性定向彈跳，而表面曲率的差異化導致液滴的彈跳方向呈現多樣化。

圖6典型區域液滴內局部粒子跡線對比分析

超疏水表面對液滴粘附效應極低，高動能次級液滴群在飛行器表面上發生向後定向運動行為，使得次級液滴群（尾羽流）的重心整體向後偏移，與親水表面相比，運動中飛行器的超疏水表面上的次級液滴群可持續保持高動能，維持定向彈跳能力，並以此有效避免同區域反覆潤溼（見圖7右梯形區域），此種次級液滴群的定向運動行為與圖4中的試驗結果相似。

圖7表面潤溼性對流體速度場（尾羽流）影響對比分析

利用移動各向異性超疏水表面誘導液滴定向翻滾促使水體從移動中的表面上剝離，對突破跨介質飛行器在飛行及出水時表面附著水、尾羽流等引起的一系列技術難題，具有極其重要的現實意義。

該課題得到了國家自然科學基金面上項目、軍委科技委主題項目、國家重點研發計劃等項目的資助和支持。該論文第一作者為鄭益華博士，通訊作者為張成春教授。

通訊作者簡介：張成春，工學博士，教授，博士研究生導師，清華大學與鄭州宇通客車股份有限公司企業聯合博士後，英國帝國理工學院訪問學者，國際仿生學會創始會員，中國農業機械學會材料與製造分會委員。主要從事海空裝備仿生基礎理論與應用技術研究，主持包括國家自然科學基金4項、國家重點研發計劃「變革性技術關鍵問題」項目課題1項、工信部「民機科研」項目專題1項、軍委科技委主題項目1項在內的各類科研項目10餘項，以第一作者或通訊作者在ACS. APPL. MATER. INTER、J. COLLOID INTERF. SCI.、INT. J. THERM. SCI.、J. SOUND VIB.、SOFTMATTER、INT. J. HEAT FLUID FL.、J. BIONICENG. 等期刊發表SCI/EI檢索論文40餘篇，獲得授權國家發明專利16件。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c08889

來源：國際仿生工程學會

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