湿润转变对超疏水表面上撞击液滴结冰影响的研究进展及展望

表面超疏水性是液滴撞击固体表面反弹的基础,利用超疏水表面的液滴反弹特性可从源头上抑制撞击液滴结冰,但湿润转变的发生会使表面的超疏水性失效.本文重点关注湿润转变对超疏水表面上撞击液滴结冰的影响.首先,分别从湿润转变对表面上撞击液滴动力学行为的影响、湿润转变对撞击液滴结冰形式的影响和撞击液滴湿润转变遵循的能量路径及转变机理3个方面梳理当前研究现状.然后,在总结上述研究现状的基础上,对通过表面微结构拓扑设计,实现抑制Cassie-Wenzel不可逆湿润转变,促进Cassie-Wenzel-Cassie可逆湿润转变,以此强化超疏水表面的液滴反弹特性进而抑制撞击液滴结冰的新思路进行了展望.     

湍流之谜

湍流经常发生,它是一种颠簸气流。当飞机划破寂静的天空,一缕香烟急剧旋转上升时即会产生。巨大的猎户座星云(Orion nebula)就是湍流在宇宙中的旋转。在大气层内,湍流使得气侯变幻莫测。人们都熟悉湍流的一种或多种形式,但直至最近才发现湍流的原因。湍流变化无常,自行其事。清彻的溪流撞击岩石时,水急剧旋转,飞沫四溅,毫无规律可循。     

电场作用下电流变液滴的变形及力学行为

外加电场作用下的液滴变形及力学行为是电流体动力学研究的重要内容.基于volume-of-fluid(VOF)方法,将电场力作为源项添加到流体运动的Navier-Stokes方程中,提出了电流体流场与电场双向耦合的数值方法,分别研究了外加均匀电场与非均匀电场作用下,中性漏电液滴和带电液滴的变形/运动及其力学行为.小变形条件下,数值模拟得到的外加均匀电场中性漏电液滴的变形系数接近于理论值,验证了本文方法的正确性.研究结果表明,电场作用下液滴与周围介质物理属性的差异导致液滴表面不同的自由电荷再分配形式及其变形状态;相对于电场方向,中性漏电液滴可能会发生"扁长型"或"扁平型"变形.均匀电场下,中性漏电液滴内部形成稳定的回转运动,液滴不会发生宏观运动;对于存在净电荷的液滴,由于库仑力的作用,液滴不仅会发生变形,同时也会沿电场线方向运动.非均匀电场下,中性漏电液滴与带电液滴都会沿电场线运动,并发生不同的变形.本文所提出电流体流场与电场双向耦合的数值方法为静电喷雾、电泳等复杂的工程电流体动力学研究提供了理论基础.     

基于BGK方法的液滴静态和动态特性

采用BGK方法对液滴在疏水表面上的静态和动态特性进行了研究,通过数值模拟发现对于带有微结构的疏水表面,在保持非浸润状态的基础上,固体面积分数越小(即微结构间距越大),表观接触角越大,表面越疏水,但是较小的固体面积分数会使液滴非浸润状态变得不稳定.当表面具有微-纳二级结构时,不仅会增加表面的疏水性,使液滴具有较大的表观接触角,而且会使液滴的Cassie状态更稳定.当液滴下落到超疏水表面时,数值计算发现液滴将经过多次反弹、变形,最终静止在超疏水表面上,这与实验现象吻合.当相同尺寸的液滴从同一高度下落到具有相同表面自由能的超疏水表面时,与平超疏水表面相比,具有微/纳结构的超疏水表面将增加液滴的反弹高度;对于平超疏水表面,表面自由能越小,液滴的反弹高度越大,因此液滴的反弹高度依赖于液滴在表面的表观接触角.     

微结构疏水表面振动液滴的动态特性

以聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料为基底,采用光刻技术制备了微方柱状疏水表面,研究了垂直振动作用下,液滴在疏水表面的Wenzel-Cassie状态转变特性.研究表明,在某一振动频率下,随着振幅逐渐增大,不同体积液滴均能实现Wenzel-Cassie状态转变;当施加的振动频率接近某一体积液滴固有频率时,由于该液滴与振动平面发生共振,液滴发生浸润状态转变所需能量最小;该频率下其他体积液滴虽也可以实现浸润状态转变,但由于所施加振动频率偏离其固有频率,液滴发生浸润转变所需能量并非最小;振动频率偏离其固有频率越远,所需能量越大.结合表面物理化学和振动力学对该现象进行了理论分析.     

用MAS NMR检测油料种子发育过程中的食油成分

一 1985年我们曾建议用魔角旋转(MAS)核磁共振(NMR)非破坏性地获得油料种子中所含油分的高分辨谱。因为油料种子中的脂类是以微小(尺寸在μm范围)液滴形式存在的,这些液滴的大小、形状和相对于外加恒定磁场的取向各异,其周围介质也不均匀,所以它们的磁化率并非均匀。这种非均匀性使得各种脂类分子的NMR谱线增宽,这种增宽通常在数     

大地形强迫下背风涡旋的实验研究

利用转槽的实验装置, 基于相似定律, 研究了大气层结流体越过大地形时所激发的背风涡旋. 研究结果表明, 无量纲数中Froude数是最重要的参数. 在无旋转情况下, 在Froude数和层结适当时, 可以形成背风涡旋; 在旋转的情况下, 背风涡旋更明显和更易形成. 旋转的作用不仅能引发下坡流, 而且其生成的地转涡度能促使背风涡旋的形成. 在背风涡旋的形成机制上, 旋转的情况与无旋转情况是不同的. 对于非旋转的过山气流而言, 扰动涡度的倾斜项是产生背风涡旋的主要原因. 而对于旋转的过山气流而言, b 效应及扰动速度的水平辐合是产生背风涡旋的更重要原因.     

流场中复杂液滴的变形运动与吸附

液滴动力学是多相流热物理学的重要基础研究方向.随着科学研究的逐步深入和工业技术的不断发展,人们发现液滴的界面可由多种物质分子组成且可出现复杂的结构,如石油工程中表面活性剂、固体颗粒等物质吸附于油水液滴界面,细胞等生物液滴由具有复杂分子组成和结构的膜包裹等.研究发现复杂的分子组成和结构使液滴界面具有剪切弹性、面积扩张弹性、抗弯特性等显著不同于普通液滴表面张力的力学性质,而复杂的界面力与流场黏性力、壁面物理化学吸附力等相互耦合导致液滴在流场中展现复杂的变形、运动、吸附等动力学行为.本文介绍了复杂液滴界面的力学性质及其模型描述,综述了近年来关于流场中复杂界面液滴的变形、运动、吸附行为的研究进展,并给出了后续研究的建议.     

电场抑制纳米液滴的Leidenfrost现象

Leidenfrost现象是指液滴与过热表面接触时,快速汽化的蒸汽层将液滴与表面隔离,使液滴在表面悬浮的现象.为揭示表面润湿性对纳米液滴Leidenfrost现象的影响机制并实现纳米液滴的强化换热,本文采用分子动力学模拟研究了纳米液滴在不同润湿性表面上的Leidenfrost现象.结果表明,纳米液滴的Leidenfrost温度与表面润湿性密切相关,即表面越亲水, Leidenfrost温度越高.本文进一步研究了电场作用下纳米液滴在不同润湿性表面上的相变换热过程,发现施加电场可有效抑制Leidenfrost现象,电场增加液滴与表面的相互作用力是其抑制Leidenfrost现象的机理.     

高压离子交换排代法富集锂同位素

用离子交换法富集同位素时,要求有尽可能大的富集系数和尽可能小的理论塔板当量高度。富集系数、塔板高度和富集程度之间的关系可以用精馏型平衡塔板理论的界面方程表示:     

科学家找到植物旋转生长的分子线索

金银花、扁豆等许多植物的藤蔓会旋转生长,沿着依附物向上攀爬,这有利于在植物茂密的地区争夺 阳光。科学家最近通过对转基因植物的研究发现,基 因变异使决定植物细胞壁纤维生长方式的蛋白质发生 变化,可以使原本直线生长的植物变为旋转生长。     

液体静电雾化现象及其应用

液体由细管流出下滴时,若在细管上施加高电压,液滴在静电力的作用下,会分裂成微粒,发生喷雾现象,称之为液体静电雾化.在大气中,液滴的最大电荷面密度接近于一定值,静电雾化使液体单位质量的表面积扩大,增大了液体单位体积的表面电荷量,这样便可有效地利用静电力.由液体静电雾化现象萌生的种种技术,在许多领域里得到日益广泛的应用.     

声悬浮条件下Bi-Ga过偏晶合金的液相分离

采用声悬浮方法实现了Bi-58.5%Ga(原子分数)过偏晶合金的无容器熔化和凝固. 在常规慢速冷却条件下, 由于重力作用, 合金发生严重的宏观偏析, 第二相(Ga)呈明显向上的Stokes运动特征. 而在声悬浮条件下, 合金中第二相(Ga)基本呈均匀弥散分布, Stokes上升运动受到明显抑制. 分析表明, 偏晶合金熔体在声悬浮场中受声场的作用上下振荡, 这可以使第二相液滴周围产生微观定常流场. 这种流场形成的压力能够影响第二相液滴的形状, 从而减小第二相液滴向上的Stokes运动速度.     

曹雪芹的燕子家族

曹雪芹晚年长居北京,觉得北地多烈风,一向流行的拍子风筝未能充分展现风筝艺术之美.拍子风筝属长尾泻风类,尾坠长穗,引重于风筝下端,使风筝不会被气流扭动旋转.因为必须加长穗,规限了风筝的造型,于是曹雪芹开始构思设计一种既可适应北地烈风,又不受长穗限制的风筝.     

关于典型直流燃烧器及其应用的探讨

布置在煤粉炉炉膛器角或其附近的直流煤粉燃烧器,气流射向炉膛中的假想切圆,在炉膛中合起来形成火焰圈,向上汇集成略有旋转的上升火焰。例如典型的水平浓淡燃烧器、开缝钝体燃烧器、稳燃腔燃烧器、带大速差射流的双一次风道燃烧器、富集型燃烧器、多功能船形燃烧器、双稳可调浓淡燃烧器已在我国火力发电厂中广泛应用,而且各电厂在实践中进行了技术改进,使这些典型的直流式燃烧器更趋完善。     

纳米颗粒表面活性剂对T型微通道中液滴分裂的影响

液滴分裂是微通道中获得单分散小尺寸液滴的重要方法,纳米颗粒表面活性剂能够包裹液滴,是制备功能胶囊的潜在技术手段,研究纳米颗粒表面活性剂作用下的液滴分裂行为对于获得尺寸更小、分散性更好的功能液滴具有重要意义.本文通过微流体可视化实验和理论分析方法,研究纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响规律.在纳米颗粒表面活性剂作用下,液滴分裂存在阻塞分裂、过渡态分裂、非阻塞分裂、不分裂4种状态;通过分析液滴颈部宽度随时间的变化关系,得出纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响机理,即通过降低界面张力影响挤压颈缩速率;通过分析基于液滴尺寸与毛细数的液滴分裂状态分布相图,建立了液滴阻塞分裂与非阻塞分裂的临界转化理论模型.     

分子束外延原位脉冲激光驱动金属Ga-droplet迁移的实现和研究

在液滴外延生长过程中金属液滴承担着生长前驱体的角色,直接决定着后续量子环、量子点、纳米线等量子结构的密度、尺寸、位置等参数.本文开展了在MBE(molecular beam epitaxy)液滴外延过程中通过原位激光作用调控金属Ga-droplet的前沿研究.首先利用MBE在GaAs(001)衬底上(150℃)沉积6 ML Ga原子以获得Ga-droplet密度约为5.7×10~(10) cm~(-2)的表面,然后原位引入单脉冲单束激光辐照衬底表面.实验观察到:Ga-droplet在激光辐照(能量密度大于10 m J/cm~2)的条件下将开始克服表面各个方向的迁移势垒发生显著而丰富的迁移行为,且这种迁移的剧烈程度与激光能量具有强烈的正相关规律.伴随这种迁移,不同Ga-droplet之间将发生随机的融合,从而强烈影响其密度以及尺寸.统计表明:当激光能量从10 m J/cm~2提高至30 m J/cm~2时,Ga-droplet的密度将迅速减小到近原来的三分之一,同时尺寸则迅速地增大,且整体分布由传统的"窄带"向"宽带"特点过渡.故通过本文的研究,证实和发现了液滴存在着极为敏感的表面"光致迁移"特性.凭借这一特性,不仅可实现对液滴整体尺寸、密度的二次修饰,获得一些在传统液滴外延中难以实现的分布特点,而且在将来我们完全有望凭借多光束干涉图形化调控液滴,最终实现人为可控的液滴外延技术,从而极大地推动整个低维纳米半导体材料的生长.     

关于典型直流燃烧器及其应用的探讨

布置在煤粉炉炉膛器角或其附近的直流煤粉燃烧器,气流射向炉膛中的假想切圆,在炉膛中合起来形成火焰圈,向上汇集成略有旋转的上升火焰.例如典型的水平浓淡燃烧器、开缝钝体燃烧器、稳燃腔燃烧器、带大速差射流的双一次风道燃烧器、富集型燃烧器、多功能船形燃烧器、双稳可调浓淡燃烧器已在我国火力发电厂中广泛应用,而且各电厂在实践中进行了技术改进,使这些典型的直流式燃烧器更趋完善.     

科学家首次创造出 永磁液体

<正>我们一般都会把磁铁想象成固体,但近来科学家们首次创造出一种永磁液体,能够变成多种形状,并在操控下四处移动。科学家们利用一种针对3D打印液体的技术将水、油和氧化铁变成了毫米级液滴,然后将这些毫米级液滴置于一个磁线圈附近,使之产生磁性。但当科学家们将磁线圈移走后,这些液滴的磁性居然没有消失,那些与薄膜中表面活性剂结合的氧     

电离子作为凝结核时电量对液滴生长的影响

从一般的化学势形式及传质动力学方程出发推导了有电离子作为凝结核时液滴生长的动力学模型,并对该模型进行了简化,在此模型基础上,分析讨论了电离子电量对液滴生长的影响.研究结果表明:有电离子作为液滴凝结核时,液滴生长的无因次液滴中肯半径比无电离子条件下液滴生长的中肯半径要小,液滴容易生长.同时也得到:当有电离子作为液滴凝结核时,如果液滴初始半径小于中肯半径,液滴将不会消失,而是趋于某个稳定值;随着无因次电量θ的不断增加,无因次液滴中肯半径不断减小,而液滴相应的稳定值则不断增大,当θ增大到一定程度时,不论液滴初始半径值如何,液滴都不会减小而是始终增长.