[论文解读] Dynamics of Coalescence-Induced Jumping Water Droplets

Nenad Miljkovic, Daniel J. Preston+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2013

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 4被引用 4

一句话总结

本研究利用高速成像和外加电场，探究了超疏水纳米结构表面上合并诱导的液滴跳动现象。研究发现，液滴在弹射后带正电，可实现多次跳跃，通过蒸气夹带实现返回表面，并彼此间产生静电排斥——这些关键发现有助于提升冷凝换热效率与自清洁应用性能。

ABSTRACT

This fluid dynamics video shows the different interaction mechanisms of coalescence-induced droplet jumping during condensation on a nanostructured superhydrophobic surface. High speed imaging was used to show jumping behavior on superhydrophobic copper oxide and carbon nanotube surfaces. Videos demonstrating multi-jumping droplets, jumping droplet return to the surface, and droplet-droplet electrostatic repulsions were analyzed. Experiments using external electric fields in conjunction with high speed imaging in a custom built experimental chamber were used to show that all coalescence-induced jumping droplets on superhydrophobic surfaces become positively charged upon leaving the surface, which is detailed in the video.

研究动机与目标

• 理解纳米结构超疏水表面上合并诱导液滴跳动的动态行为，超越初始弹射阶段。
• 研究弹射后的行为，如多次跳跃、表面重新附着及静电相互作用。
• 确定跳动液滴的电荷状态及其对液滴间相互作用的影响。
• 探讨蒸气流夹带在逆着重力方向改变液滴轨迹中的作用。
• 评估外加电场对液滴运动及电荷极性的影响。

提出的方法

• 以1000 fps的高速摄像记录了超疏水CuO和碳纳米管（CNT）表面上液滴合并、弹射及弹射后动力学行为。
• 通过定制环境腔体在约2.7 kPa和26 °C下维持饱和蒸气条件，实现稳态冷凝。
• 采用延长镜头系统（5倍光学变焦及68 mm延长管），实现对离面液滴轨迹的高倍率近摄成像。
• 通过铜丝电极（±30 V）施加外加电场，以探测液滴带电及静电相互作用。
• 采用等离子体增强化学气相沉积法，在表面涂覆一层30 nm厚的氟化聚合物涂层，实现超疏水性（前进接触角~124°，回缩接触角~113°）。
• 通过外加电场下液滴的定向运动推断其带电状态：正偏压下液滴排斥，确认其净带正电。

实验结果

研究问题

• RQ1 合并诱导的跳动液滴在离开表面后是否可发生多次跳跃？
• RQ2 液滴在弹射后如何克服重力返回表面？
• RQ3 跳动液滴是否获得净电荷？若存在，其极性如何？
• RQ4 液滴间的静电排斥如何影响其飞行动力学？
• RQ5 外加电场如何影响液滴运动及电荷状态？

主要发现

• 在超疏水CuO和CNT表面上，跳动液滴在弹射后可发生多次跳跃，表明合并过程持续释放能量。
• 液滴在重力作用下返回表面，是由于冷凝蒸气的夹带作用，产生向上的净力以抵消重力。
• 所有合并诱导的跳动液滴均带正电，由正电极偏压下液滴排斥、负电极偏压下吸引的现象证实。
• 在飞行过程中观察到液滴间的静电排斥，当液滴相互靠近时发生相互排斥偏转。
• 液滴多次弹射后表面电荷极性保持一致，表明液滴脱离超疏水表面时存在普遍的带电机制。
• 高速成像显示，当蒸气流动力学形成局部向上的动量时，即使在水平构型下液滴也会发生返回。