高淑蓉，金佳鑫，魏博建，王曉東

（1華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2華北電力大學(xué)工程熱物理研究中心，北京 102206）

引 言

結(jié)冰是液滴在固體表面上發(fā)生過冷和形成冰晶并生長的液固相變過程[1-4]。液滴在表面的結(jié)冰可分為固著液滴結(jié)冰和撞擊液滴結(jié)冰。相比于固著液滴結(jié)冰，撞擊會(huì)誘發(fā)表面產(chǎn)生更多的成核點(diǎn)使液滴更容易結(jié)冰[5]。抑制撞擊液滴的結(jié)冰在能源動(dòng)力、航空航天、交通運(yùn)輸、電力通信等領(lǐng)域具有非常重要的意義（圖1）[6-17]。例如，在航空航天領(lǐng)域，過冷水滴撞擊飛機(jī)空速管結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致其測速不準(zhǔn)確，使飛行員無法準(zhǔn)確獲悉航速信息，引發(fā)錯(cuò)誤操作，導(dǎo)致惡性飛行事故。2018年俄羅斯安148客機(jī)就是由于空速管結(jié)冰，導(dǎo)致飛機(jī)失速墜毀[18]。在電力通信領(lǐng)域，過冷水滴撞擊電纜結(jié)冰會(huì)對(duì)生產(chǎn)和生活構(gòu)成嚴(yán)重危害。2008年我國南方的冰災(zāi)就是由于凍雨撞擊到通信電纜上形成堅(jiān)實(shí)的冰層導(dǎo)致線路損壞中斷，造成我國經(jīng)濟(jì)損失1516.5億元[19]。本文主要關(guān)注撞擊液滴的結(jié)冰問題。

圖1 撞擊液滴結(jié)冰廣泛存在于航空航天、交通運(yùn)輸、電力通信等領(lǐng)域Fig.1 Impingement droplet icing is widely used in aerospace,transportation,electric power communication and other fields

傳統(tǒng)的防/除冰技術(shù)主要包括氣熱防冰、電熱防冰、液體防冰以及機(jī)械除冰等，這些技術(shù)具有顯著防/除冰效果，但存在能源消耗大、防冰時(shí)間有限以及除冰不徹底等問題[20]。因此，尋求經(jīng)濟(jì)、高效并能從源頭上抑制結(jié)冰的新方法是結(jié)冰領(lǐng)域的重要研究方向。受荷葉葉面和水黽等動(dòng)物肢體表面神奇疏水性的啟示（圖2），越來越多的國內(nèi)外研究者開始關(guān)注疏水表面在調(diào)控液滴運(yùn)動(dòng)、延緩或減弱壁面結(jié)冰等防結(jié)冰領(lǐng)域的應(yīng)用[21-23]。目前常用的疏水表面防/除冰方法的機(jī)理是采用疏水表面增加冰晶成核勢壘，延長冰晶成核時(shí)間[22]；或者降低冰晶與表面的黏附力，使冰層容易去除[23]。然而，上述方法只是增加了結(jié)冰時(shí)間或使結(jié)冰更容易去除，并沒有從源頭上抑制結(jié)冰。

圖2 荷葉表面微結(jié)構(gòu)(a)；水黽微結(jié)構(gòu)(b)；微納結(jié)構(gòu)(c)Fig.2 Surface microstructure of lotusleaf(a);Water strider microstructures(b);Micro-nano structure(c)

過去研究發(fā)現(xiàn)，液滴撞擊超疏水表面后會(huì)從表面彈離，這種彈離現(xiàn)象即便在一個(gè)非常小的撞擊速度下也會(huì)發(fā)生（如速度為0.11 m/s，Weber數(shù)為0.07）[24]。這一發(fā)現(xiàn)為從源頭上解決撞擊液滴的結(jié)冰問題提供了思路和理論基礎(chǔ)，即利用超疏水表面使撞擊液滴在結(jié)冰前彈離表面，從而實(shí)現(xiàn)抑制結(jié)冰的目的。

本文將基于液滴撞擊冷表面的結(jié)冰問題，分別從動(dòng)力學(xué)特性、結(jié)冰特性以及液滴撞擊冷表面的理論建模等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，并對(duì)目前關(guān)于撞擊液滴結(jié)冰中存在的一些問題進(jìn)行分析。然后，基于撞擊液滴的反彈特性可從源頭上抑制結(jié)冰這種思路，提出降低接觸時(shí)間、增加成核再輝時(shí)間的新方法。最后，對(duì)利用液滴的反彈特性進(jìn)行抑制結(jié)冰的研究進(jìn)行展望。

1 液滴撞擊疏水/超疏水冷表面結(jié)冰的研究進(jìn)展

液滴撞擊冷表面后，會(huì)經(jīng)歷鋪展、回縮、黏附或者反彈等動(dòng)力學(xué)過程。由于液滴與冷表面存在溫差，在撞擊過程中液滴同時(shí)會(huì)與冷表面進(jìn)行熱量交換，液滴溫度降低。如圖3(c)所示，液滴從初始溫度降低到成核溫度時(shí)，將在表面發(fā)生核化產(chǎn)生冰晶，這個(gè)過程被稱為成核過程，所用時(shí)間被稱為成核時(shí)間，成核是液滴結(jié)冰過程的控制步驟[2-3]。由于氫鍵網(wǎng)絡(luò)的滲透作用[22]，冰晶在液滴內(nèi)部快速生長放熱，直至液滴溫度上升到凍結(jié)溫度，形成固液混合物，這個(gè)過程被稱為再輝過程[1-2,25]，所用時(shí)間被稱為再輝時(shí)間。顯然，液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)過程和結(jié)冰過程相互耦合，能否將這兩個(gè)過程進(jìn)行解耦研究主要依賴于成核再輝時(shí)間尺度與撞擊時(shí)間尺度之間的量級(jí)關(guān)系?？梢栽O(shè)想，對(duì)于撞擊液滴在表面發(fā)生結(jié)冰的情況，當(dāng)成核再輝過程發(fā)生在液滴鋪展階段或者回縮階段時(shí)，動(dòng)力學(xué)過程和結(jié)冰過程相互耦合相互影響；當(dāng)成核再輝過程發(fā)生在液滴回縮結(jié)束以后時(shí)，動(dòng)力學(xué)過程和結(jié)冰過程可以進(jìn)行解耦研究（如圖3）。過去一些研究將撞擊液滴結(jié)冰過程解耦成動(dòng)力學(xué)過程和結(jié)冰過程分別研究。然而，由于撞擊液滴結(jié)冰過程的復(fù)雜性，液滴撞擊表面結(jié)冰的動(dòng)力學(xué)過程和結(jié)冰過程的耦合機(jī)制及結(jié)冰機(jī)理有待深入研究。

圖3 液滴撞擊固體表面結(jié)冰過程解耦為動(dòng)力學(xué)過程和結(jié)冰過程(a)[1]；液滴撞擊固體表面動(dòng)力學(xué)過程(b)；固著液滴的結(jié)冰過程，包括液滴過冷、成核、再輝、凍結(jié)以及固體冷卻(T0和TF分別表示成核溫度和凍結(jié)溫度)(c)[26]Fig.3 The decoupling of the freezing process of the droplet impacting thesolid surface is the dynamic process and the freezing process(a)[1];Kinetic processes of droplets impinging on solid surfaces(b);The freezing processof the stationary droplet,including supercooling of the droplet,nucleation,reglow,freezing and solid cooling(T0 and TF represent nucleation temperature and freezing temperature respectively)(c)[26]

1.1 液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)特性研究

多年來，圍繞液滴撞擊常溫固體表面的動(dòng)力學(xué)特性已持續(xù)開展了大量研究[25,27-28]。撞擊液滴主要受到慣性力、毛細(xì)力及黏性力的相互作用[29]，為了表征各種作用力的強(qiáng)弱，通常定義Weber數(shù)（We=ρD0V02/γ，慣性力與毛細(xì)力之比）和Reynolds數(shù)（Re=ρD0V0/μ，慣性力與黏性力之比）等無量綱參數(shù)來表征撞擊條件。除撞擊條件外，表面浸潤性（或接觸角）也會(huì)影響撞擊液滴的動(dòng)力學(xué)過程。因此，對(duì)于液滴撞擊常溫表面動(dòng)力學(xué)特性的研究，主要關(guān)注Weber數(shù)、Reynolds數(shù)和表面浸潤性對(duì)撞擊規(guī)律的影響[30-32]，最終目標(biāo)是構(gòu)建撞擊相圖[27]。然而，除撞擊條件和表面浸潤性外，表面過冷度（這里指液滴在相應(yīng)壓力下凍結(jié)溫度與冷表面溫度的差值）也會(huì)影響撞擊液滴的動(dòng)力學(xué)特性及產(chǎn)物相[31,33]。例如，當(dāng)常溫液滴撞擊冷表面時(shí)，液滴會(huì)與表面進(jìn)行傳熱，當(dāng)液滴溫度達(dá)到成核溫度時(shí)，液滴還會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。此外，與常溫表面相比，過冷液滴撞擊冷表面時(shí)能夠形成更多的成核位點(diǎn)，使結(jié)冰更容易發(fā)生[34-36]。

液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)過程主要包括鋪展過程和回縮過程，為了研究動(dòng)力學(xué)過程和結(jié)冰過程的耦合程度，有必要對(duì)鋪展過程和回縮過程單獨(dú)研究。

1.1.1 液滴撞擊冷表面的鋪展過程 液滴撞擊冷表面后，從接觸表面到鋪展到最大直徑這一過程被稱為鋪展過程，所用的時(shí)間被稱為鋪展時(shí)間。對(duì)于鋪展來說，通常用最大鋪展直徑來定量描述液滴的鋪展程度，其直接影響液滴和表面的接觸換熱面積，決定液滴的溫度變化，進(jìn)而影響成核發(fā)生的時(shí)間。當(dāng)表面溫度降低時(shí)，液滴會(huì)與表面進(jìn)行熱量傳遞導(dǎo)致其黏度和表面張力發(fā)生改變，作用于液滴上的各種力之間的比率也會(huì)隨之發(fā)生改變。因此，即使對(duì)于相同的撞擊條件和表面浸潤性，液滴在冷表面的鋪展性能也異于常溫表面[37-39]。Maitra等[37]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)表面過冷度快速下降到-30℃時(shí)，液滴在鋪展過程中會(huì)發(fā)生冷卻，其黏度較室溫提高5倍，最大鋪展直徑較室溫減少25%。此外，與疏水表面相比，液滴撞擊親水表面時(shí)鋪展面積較大，傳熱較快，導(dǎo)致靠近冷表面的液膜快速達(dá)到成核條件，從而使得液滴撞擊親水表面時(shí)更容易結(jié)冰。例如，Alizadeh等[38]通過探究液滴撞擊親水表面和疏水表面的動(dòng)力學(xué)行為發(fā)現(xiàn)，液滴的最大鋪展直徑隨著表面親水性的增強(qiáng)而增大。與親水表面相比，液滴在（撞擊Weber數(shù)138、表面溫度-15℃，表面接觸角145°）撞擊疏水表面時(shí)更容易發(fā)生反彈現(xiàn)象。

1.1.2 液滴撞擊冷表面的回縮過程 液滴從最大鋪展直徑回縮到與表面接觸直徑保持不變的過程被稱為回縮過程，所用的時(shí)間被稱為回縮時(shí)間。對(duì)于回縮來說，通常用回縮直徑（回縮結(jié)束后液滴與表面的接觸直徑）定量描述液滴的回縮程度。當(dāng)回縮直徑為0時(shí)，表示液滴反彈，此時(shí)鋪展時(shí)間和回縮時(shí)間之和被定義為液滴與表面的接觸時(shí)間。與常溫表面相比，液滴撞擊冷表面時(shí)，其黏性增加，導(dǎo)致液滴回縮減弱，回縮速度降低[33]。研究表明，回縮直徑隨表面溫度的降低而線性增加，當(dāng)表面溫度降低到一定程度時(shí)，回縮直徑等于最大鋪展直徑，即固液界面處液膜的凍結(jié)完全抑制了液滴的回縮運(yùn)動(dòng)[34]；當(dāng)表面溫度下降到凍結(jié)溫度時(shí)，液滴結(jié)冰過程會(huì)顯著阻礙回縮運(yùn)動(dòng)，主要原因是固液黏附增強(qiáng)[40]。除表面溫度外，表面浸潤性對(duì)回縮過程也有一定的影響。隨表面疏水性增加，液滴在撞擊過程中動(dòng)能損耗減小，回縮速率增大，回縮時(shí)間減小。這是因?yàn)橐旱卧谧矒暨^程中能量守恒，如式（1）[41]所示：

式中，ΔEs為液滴的表面能變化量;ΔEk為液滴的動(dòng)能變化量;W為液滴的能量耗散，其包括黏性耗散、弛豫耗散和接觸線耗散。黏性耗散和弛豫耗散主要與黏度和液滴速度有關(guān)[42-43]，而接觸線耗散則與表面浸潤性有關(guān)。接觸線耗散如式（2）[44]所示。

式中，γ為氣液表面張力；Dm為最大鋪展直徑；θY,θadv,θrec分別為表觀接觸角、前進(jìn)接觸角、后退接觸角。由于超疏水表面接觸角很大，余弦值隨角度變化的斜率很小，且接觸角滯后一般不超過5°，式中三個(gè)接觸角的余弦值幾乎相等。因此，與親水表面和疏水表面相比，液滴在超疏水表面的接觸線耗散較小，其對(duì)應(yīng)的動(dòng)能損失也較小。

1.2 液滴撞擊冷表面的結(jié)冰特性研究

1.2.1 液滴撞擊冷表面成核 固液界面的非均相成核是引起液滴結(jié)冰的主要原因。經(jīng)典核化理論認(rèn)為，任何成核的發(fā)生都需要克服吉布斯自由能成核勢壘，非均相成核的自由能勢壘可表示為[45]:

式中，γSL為固液界面自由能；TF為液滴凍結(jié)溫度；Tinterface為固液界面溫度；HSL為液固相變焓；θc為冰在水平表面的接觸角；f(θc)為表面浸潤性參數(shù)。式（3）表明，冰晶成核受表面溫度、表面浸潤性、液滴凍結(jié)溫度及表面形貌等多種因素的影響[3]。其中，表面溫度是最重要的影響因素，表面溫度越低，液滴與表面的傳熱速率越快[40,46-47]，成核自由能勢壘越小[48]；接觸角越大，表面浸潤性參數(shù)f(θc)值越大，成核自由能勢壘越大，因此，疏水表面不易成核。與親水表面相比，疏水表面還能夠延長撞擊液滴的成核時(shí)間，這主要是由于液滴在疏水表面的最大鋪展面積減小，液滴與表面的傳熱面積也減小，從而增加了成核時(shí)間。此外，一些疏水表面由于特定的結(jié)構(gòu)具有一定的絕熱性能，即液滴撞擊疏水表面時(shí)會(huì)在液滴與表面之間截留部分氣膜，這部分氣膜會(huì)增大液滴和固體表面之間的傳熱熱阻，從而使熱量傳遞更難進(jìn)行[49]。除了減少熱量傳遞路徑外，表面浸潤性直接影響液固接觸面積，進(jìn)而影響成核時(shí)間[50]。例如，隨表面浸潤性降低，液固接觸面積減小，換熱速率降低，成核時(shí)間延長（圖4）。此外，Schremb等[50]發(fā)現(xiàn)液滴撞擊表面產(chǎn)生的納米氣泡提供了成核位點(diǎn)，這些成核位點(diǎn)極大地增加了碰撞的核化率，從而促進(jìn)液滴的成核。顯然，液滴和表面的傳熱過程及撞擊液滴的動(dòng)力學(xué)過程都會(huì)對(duì)冰晶成核產(chǎn)生影響。

圖4 液滴在親水和疏水冷表面成核再輝過程中溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律[22]Fig.4 Variation of temperature with time during nucleation and reglow on hydrophilic and hydrophobic cooled surfaces[22]

1.2.2 液滴撞擊冷表面再輝 液滴撞擊冷表面的再輝過程[圖3(c)]可能發(fā)生在撞擊液滴的鋪展過程、回縮過程或者回縮結(jié)束以后[21,51]，再輝一旦發(fā)生，就會(huì)影響后續(xù)的動(dòng)力學(xué)過程。此外，再輝過程與動(dòng)力學(xué)過程的耦合關(guān)系直接決定液滴的結(jié)冰模式。例如，當(dāng)再輝過程發(fā)生在液滴鋪展或者回縮階段時(shí)，液滴將在表面結(jié)冰；而當(dāng)再輝過程發(fā)生在液滴回縮結(jié)束以后時(shí)，液滴在疏水表面可能發(fā)生部分結(jié)冰（圖5），也可能發(fā)生完全結(jié)冰[52]，而在超疏水表面可能不結(jié)冰。

圖5 液滴撞擊溫度為-20℃的超疏水表面的凍結(jié)過程示意圖[48]Fig.5 Schematic diagramof solidification process of a water droplet impactinga-20℃superhydrophobic surface[48]

總之，成核作為結(jié)冰的開始，對(duì)液滴的結(jié)冰過程有很大的影響。液滴成核后，再輝過程將影響液滴的鋪展和回縮過程，最終決定其結(jié)冰特性。再輝過程中，當(dāng)冰的生長速率大于收縮速率時(shí)，凍結(jié)模式以冰核為主；反之，凍結(jié)模式以冰的生長為主。Sun等[51]發(fā)現(xiàn)，在一定的冰晶生長速率下，當(dāng)成核時(shí)間小于鋪展時(shí)間時(shí)，液滴會(huì)凍結(jié)成荷包蛋或者盆地狀，其凍結(jié)鋪展因子（凍結(jié)直徑與最大鋪展直徑之比）為0.85～1；當(dāng)成核時(shí)間大于鋪展時(shí)間小于鋪展回縮時(shí)間時(shí)，液滴會(huì)凍結(jié)成煎餅狀，凍結(jié)鋪展因子為0.5～0.85；當(dāng)成核時(shí)間大于鋪展回縮時(shí)間時(shí)，液滴在再輝之前就完成了收縮，最終呈半球形，凍結(jié)鋪展因子為0.3～0.5。顯然，液滴的結(jié)冰特性是撞擊動(dòng)力學(xué)、成核及再輝過程相互耦合相互影響的復(fù)雜結(jié)果。

1.3 液滴撞擊冷表面結(jié)冰耦合的理論研究

對(duì)于撞擊液滴，描述其在冷表面結(jié)冰的模型主要分為理論模型和數(shù)值模型[45,49,51-54]。構(gòu)建理論模型的目的一方面是獲得液滴撞擊表面發(fā)生反彈或者結(jié)冰的判據(jù)，預(yù)測撞擊液滴能否發(fā)生結(jié)冰；另一方面是基于液滴在結(jié)冰的條件下，預(yù)測液滴的形狀演化及冰層生長規(guī)律。例如，Bahadur等[45]建立了液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)模型、液滴與表面的傳熱模型以及非均相成核模型并將其耦合，最終構(gòu)建了液滴在表面的接觸半徑（R）、毛細(xì)收縮力（Fretraction）隨時(shí)間的依變關(guān)系，進(jìn)而判斷液滴能否結(jié)冰（圖6），即當(dāng)R=0，F(xiàn)retraction>0時(shí)，液滴發(fā)生反彈；當(dāng)Fretraction=0，R>0時(shí)，液滴發(fā)生結(jié)冰。構(gòu)建數(shù)值模型的目標(biāo)則是基于給定的撞擊條件，對(duì)動(dòng)力學(xué)過程和結(jié)冰過程進(jìn)行整體模擬，預(yù)測撞擊液滴的鋪展、回縮、黏附、反彈或者結(jié)冰等過程。例如，Yao等[31]建立了液滴撞擊冷表面的鋪展回縮過程和結(jié)冰過程的耦合模型，獲得液滴發(fā)生反彈或者黏附與韋伯?dāng)?shù)和昂色格數(shù)之間的依變關(guān)系，即液滴撞擊冷表面最終發(fā)生反彈或者黏附主要取決于昂色格數(shù)的大小，這是由于當(dāng)撞擊表面溫度過冷時(shí)，液滴在表面的鋪展、回縮以及反彈動(dòng)力學(xué)主要受黏性力的影響。

圖6 液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)模型（a）；液滴與表面的傳熱模型（b）；非均相成核模型（c）；液滴在表面的接觸半徑、毛細(xì)收縮力隨時(shí)間的依變關(guān)系[（d）～（f）][45]Fig.6 Kinetic model of droplet impact on cold surface（a）;Droplet and surface heat transfer model（b）;Inhomogeneous nucleation model（c）;The dependence of contact radius and capillary contractile force of droplet on the surface with time[（d）—（f）][45]

以上結(jié)冰模型的研究表明，液滴撞擊表面最終能否發(fā)生反彈或者結(jié)冰與動(dòng)力學(xué)過程和傳熱過程密切相關(guān)。液滴撞擊冷表面的結(jié)冰過程主要是成核過程、再輝過程和凍結(jié)過程的耦合。然而，過去研究者主要關(guān)注固著液滴結(jié)冰或者撞擊液滴在完全結(jié)冰條件下的理論研究以及模型建立，尚未從理論上研究成核再輝時(shí)間小于或接近接觸時(shí)間時(shí)，撞擊液滴發(fā)生部分反彈、部分結(jié)冰或者完全結(jié)冰情況下的理論預(yù)測模型。

1.4 撞擊液滴結(jié)冰目前存在的問題

基于以上分析可知，撞擊液滴的結(jié)冰過程是極其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程、傳熱過程以及結(jié)冰過程的耦合。由于過程的復(fù)雜性，目前的研究通常將其解耦成液滴撞擊表面的動(dòng)力學(xué)過程和固著液滴的結(jié)冰過程來簡化研究，尚未系統(tǒng)地將動(dòng)力學(xué)過程和結(jié)冰過程進(jìn)行耦合研究來闡明撞擊液滴結(jié)冰的機(jī)理。

另外，以往對(duì)防結(jié)冰的研究主要關(guān)注的是疏水表面和超疏水表面。對(duì)于疏水表面，進(jìn)一步增加表面疏水性是抑制結(jié)冰的有效方法。增加表面疏水性一方面可增加冰晶成核勢壘，延緩結(jié)冰時(shí)間；另一方面可降低冰晶與表面的黏附力，使冰層容易去除。然而，這些方法依然是在結(jié)冰前或者結(jié)冰后來防冰或者除冰，并沒有達(dá)到“從源頭上”抑制結(jié)冰。而對(duì)于超疏水表面，目前已有研究發(fā)現(xiàn)超疏水表面在防止撞擊液滴結(jié)冰方面表現(xiàn)優(yōu)異，能從源頭上抑制結(jié)冰。但是，對(duì)液滴撞擊過程中的動(dòng)力學(xué)特性和結(jié)冰特性進(jìn)行耦合探究，進(jìn)而揭示利用液滴的反彈特性抑制結(jié)冰的機(jī)理是有必要的。

2 基于液滴的“反彈特性”實(shí)現(xiàn)抑制結(jié)冰的機(jī)理和思路

自荷葉效應(yīng)[55]發(fā)現(xiàn)以來，超疏水表面在自清潔、特別是防結(jié)冰方面的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。特別是與普通疏水表面相比，超疏水表面可將結(jié)冰時(shí)間由5 s延長到70～80 s，提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。除了可以大幅度延長結(jié)冰時(shí)間外，液滴撞擊超疏水表面所展現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)特性也與撞擊親水或常規(guī)疏水表面有很大不同。例如，液滴撞擊超疏水表面在回縮過程結(jié)束后會(huì)更容易發(fā)生反彈?？梢栽囅?，如果液滴在成核或者再輝發(fā)生之前彈離表面，就可以從根本上解決撞擊液滴的結(jié)冰問題。也就是說，降低液滴在表面的接觸時(shí)間能夠促進(jìn)液滴快速彈離表面并達(dá)到抑制其結(jié)冰的目的。

表1 液滴撞擊具有不同結(jié)構(gòu)的固體表面時(shí)的接觸時(shí)間（無量綱）Table 1 Comparison of the dimensionless contact time of droplets

上述研究證實(shí)了借助宏觀尺度的脊和特定的微結(jié)構(gòu)可使撞擊液滴的接觸時(shí)間突破理論極限，為抑制結(jié)冰提供了思路。然而，這些研究均是針對(duì)液滴撞擊超疏水常溫表面。當(dāng)液滴撞擊疏水表面時(shí)，由于表面疏水性的降低，表面浸潤性勢必影響撞擊液滴的反彈特性。研究發(fā)現(xiàn)[62-65]，撞擊表面的浸潤性越小，液滴的回縮速度越快，其臨界反彈速度越小，液滴越容易彈離表面。權(quán)生林等[62]通過改變表面浸潤性，研究了具有不同表面浸潤性的表面對(duì)液滴撞擊動(dòng)力學(xué)特性的影響。當(dāng)表面為親水表面時(shí)，液滴與表面之間的相互作用力較大，液滴在撞擊過程中只會(huì)發(fā)生沉積現(xiàn)象,并沒有彈離表面；隨著表面疏水性的增大，液滴與表面之間的相互作用力不斷減小，當(dāng)增大Weber數(shù)（We）時(shí)，撞擊液滴會(huì)由沉積逐漸變?yōu)榉磸棧欢?dāng)表面為超疏水表面時(shí)，即液滴與固體表面的相互作用力非常小，液滴撞擊表面后沒有發(fā)生沉積，而是在非常小的We下就可以發(fā)生反彈。這表明，液滴在表面的反彈特性不僅與接觸時(shí)間密切相關(guān)，同時(shí)受表面浸潤性的影響。

需要指出的是，當(dāng)液滴撞擊冷表面時(shí)，由于在撞擊過程中液滴和表面會(huì)發(fā)生傳熱，此時(shí)，液滴撞擊表面的動(dòng)力學(xué)過程、傳熱過程以及結(jié)冰過程相互耦合相互影響，勢必影響撞擊液滴的反彈特性。因此，有必要深入探究表面過冷度對(duì)液滴反彈、傳熱以及結(jié)冰特性的影響規(guī)律。

總之，利用撞擊液滴在超疏水表面的反彈特性作為一種抑制結(jié)冰的思路，可實(shí)現(xiàn)“從源頭上”抑制結(jié)冰。然而之前的研究大部分是針對(duì)液滴撞擊超疏水常溫表面展開的。當(dāng)液滴撞擊疏水冷表面時(shí)，由于表面疏水性的降低以及撞擊過程中液滴和表面發(fā)生傳熱，表面浸潤性和過冷度都會(huì)發(fā)生改變，勢必會(huì)影響撞擊液滴的反彈特性，有待于進(jìn)一步研究。

3 液滴撞擊超疏水表面的研究

近期，作者所在課題組[59]圍繞液滴撞擊常溫表面的動(dòng)力學(xué)特性以及液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)及結(jié)冰特性開展了一系列實(shí)驗(yàn)和模擬研究?；谄奖砻嫔系暮暧^脊能夠?qū)⒁旱畏至巡⒓ぐl(fā)其非對(duì)稱性，進(jìn)而可以降低液滴與固體表面接觸時(shí)間的研究，提出在傾斜表面施加一排宏觀脊的方法，這樣可以將表面的傾斜性和宏觀微結(jié)構(gòu)這兩種非對(duì)稱性相結(jié)合，進(jìn)一步減少接觸時(shí)間。過去的研究表明，當(dāng)水平表面宏觀微結(jié)構(gòu)脊間距與液滴直徑相當(dāng)時(shí)，接觸時(shí)間最低。然而，作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液滴撞擊具有較大脊間距的傾斜表面時(shí)更容易被分裂，但是分裂后液滴與傾斜表面的接觸時(shí)間并沒有變短，反而有所增加，且傾角越大，接觸時(shí)間越長。當(dāng)脊間距較小時(shí)，液滴在沒有被分裂的情況下，存在一個(gè)最佳間距使接觸時(shí)間變短，在這種情況下，傾角越大，接觸時(shí)間越短。

雖然之前的研究也證實(shí)了一些特定的脊和微結(jié)構(gòu)可降低接觸時(shí)間，但需要指出的是，這些研究大多是針對(duì)液滴撞擊超疏水的常溫表面而言的。當(dāng)液滴撞擊疏水的冷表面時(shí)，由于表面疏水性的降低以及撞擊過程中液滴和表面發(fā)生傳熱，會(huì)出現(xiàn)液滴在冷表面?zhèn)鳠岷土鲃?dòng)的競爭[65-68]，勢必會(huì)影響接觸時(shí)間和成核再輝時(shí)間，最終影響撞擊液滴的反彈特性和結(jié)冰特性。例如，增大表面過冷度[68]，液滴撞擊超疏水表面后會(huì)由反彈變?yōu)轲じ?。Ding等[69]研究發(fā)現(xiàn)，液滴撞擊冷表面后會(huì)經(jīng)歷鋪展、回縮和反彈，且當(dāng)表面溫度低于-17℃時(shí)，回縮過程和反彈過程會(huì)受到抑制。這是由于隨著表面溫度的降低，液滴冷卻所需時(shí)間顯著縮短，導(dǎo)致凍結(jié)開始時(shí)間顯著下降。當(dāng)表面溫度從-26.1℃下降到-28.6℃時(shí)，液滴凍結(jié)開始時(shí)間由18.7 ms縮短至11.3 ms。Boinovich等[70]的研究同樣發(fā)現(xiàn)，水滴撞擊溫度為-17℃的超疏水表面時(shí)可彈離表面，而當(dāng)表面溫度降至-20℃時(shí)，只有70%的液滴可以有效反彈。這是因?yàn)橐旱巫矒舫杷砻鏁?huì)誘發(fā)產(chǎn)生氣泡，當(dāng)液滴溫度低于0℃時(shí)，氣泡在水中的擴(kuò)散速率減慢，導(dǎo)致其存在時(shí)間呈指數(shù)級(jí)增加，氣泡產(chǎn)生了額外的成核位點(diǎn)，增加了冰晶成核速率[26]，最終使水滴撞擊超疏水表面后由反彈變?yōu)轲じ竭M(jìn)而結(jié)冰，極大地限制了超疏水表面的防結(jié)冰性能。

基于上述研究，作者開展了液滴撞擊裝飾有宏觀脊的低溫超疏水表面的實(shí)驗(yàn)研究（圖7），發(fā)現(xiàn)在撞擊速度為1 m/s時(shí)，液滴撞擊超疏水常溫表面后會(huì)從表面彈離；當(dāng)表面溫度降低到-15℃時(shí)，撞擊液滴無法彈離表面，最終在表面結(jié)冰；而在-15℃的冷表面上布置宏觀尺度的脊時(shí)，撞擊液滴又會(huì)彈離表面，這是由于脊打破了撞擊液滴鋪展和回縮的圓周對(duì)稱性，縮短了接觸時(shí)間。上述工作證實(shí)了：（1）表面過冷度影響液滴的接觸時(shí)間，增大過冷度增加了接觸時(shí)間；（2）當(dāng)成核再輝時(shí)間小于接觸時(shí)間時(shí)，動(dòng)力學(xué)過程與結(jié)冰過程發(fā)生耦合，液滴無法彈離表面發(fā)生結(jié)冰；（3）通過降低接觸時(shí)間，使成核再輝時(shí)間大于接觸時(shí)間，液滴可從表面反彈，成功抑制結(jié)冰。

圖7 液滴撞擊常溫超疏水表面(a)、低溫超疏水表面(b)和低溫超疏水加單根脊表面(c)的動(dòng)力學(xué)性能和結(jié)冰性能Fig.7 The kinetics and icing performance of droplet impact on superhydrophobic surface at roomtemperature(a),superhydrophobic surface at low temperature(b)and the surface superhydrophobic and single ridge at low temperature(c)

4 總結(jié)與展望

本文主要基于液滴撞擊冷表面的結(jié)冰問題，綜述了近年來液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)特性、結(jié)冰特性以及液滴撞擊結(jié)冰理論建模等方面的研究進(jìn)展，并分析了目前研究中主要存在的問題。在此基礎(chǔ)上，基于撞擊液滴的反彈特性可從源頭上抑制結(jié)冰這種思路，提出可通過降低接觸時(shí)間或者增加成核再輝時(shí)間來實(shí)現(xiàn)從源頭上抑制結(jié)冰的新方法。最后，通過模擬和實(shí)驗(yàn)研究初步證明了這種新方法的可行性。

然而，利用撞擊液滴的反彈特性實(shí)現(xiàn)從源頭上抑制結(jié)冰作為一種新的抑冰方法，盡管得到了一定的發(fā)展，也展現(xiàn)出了良好應(yīng)用前景，但距離實(shí)際應(yīng)用仍有一定的差距。目前仍有一些基礎(chǔ)性的問題需要得到解決。（1）考慮在實(shí)際應(yīng)用中，假如撞擊表面嚴(yán)格上是超疏水表面，這一條件比較苛刻，其在一定程度上會(huì)限制利用液滴的反彈抑制結(jié)冰的應(yīng)用范圍。如果表面不是超疏水表面，而是疏水表面，液滴反彈的臨界撞擊速度勢必增加。表面疏水性越差，液滴反彈的臨界撞擊速度越高。這就向研究者提出一個(gè)問題：如何通過合理的表面設(shè)計(jì)，使液滴以低速撞擊疏水表面時(shí)也可彈離表面?如果這一問題得到解決，將極大擴(kuò)展這種抑冰思路的應(yīng)用范圍。（2）當(dāng)常溫液滴撞擊冷表面時(shí)，液滴和表面之間會(huì)進(jìn)行熱量交換，表面過冷度勢必影響接觸時(shí)間和成核再輝時(shí)間，進(jìn)而影響撞擊液滴的反彈特性。僅當(dāng)接觸時(shí)間小于成核再輝時(shí)間時(shí)，液滴才能從表面彈離，達(dá)到抑制結(jié)冰的作用。因此，有必要深入探究表面浸潤性和過冷度對(duì)液滴反彈特性的影響規(guī)律，建立接觸時(shí)間和成核再輝時(shí)間與表面浸潤性和過冷度的依變關(guān)系。這些問題的進(jìn)一步解決，可為實(shí)現(xiàn)“利用撞擊液滴的反彈特性抑制結(jié)冰”提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

符號(hào)說明

ΔG——成核自由能勢壘，kJ/mol

R——液滴在表面的接觸半徑，m

R0——液滴初始半徑，m

Wcl——液滴撞擊表面過程的接觸線耗散，J

ρ——液滴密度，kg/m3

τc——液滴撞擊超疏水表面接觸時(shí)間，s

τ*——液滴撞擊超疏水表面無量綱接觸時(shí)間，τ*=τc/(ρR03/γ)1/2