Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng bắn tung tóe của giọt nước trên bề mặt siêu kỵ nước có kết cấu vi mô và vi mô/nano
Tóm tắt
Hiện tượng bắn tung tóe của giọt nước được quan sát thực nghiệm trên các bề mặt siêu kỵ nước được thiết kế tốt với kết cấu vi mô và vi mô/nano. Các số Weber tới hạn (Wecr) cho hiện tượng bắn tung tóe đã được nghiên cứu qua việc xem xét các điều kiện bề mặt hình học. Hiện tượng bắn tung tóe được thúc đẩy với khoảng cách và đường kính cột vi mô lớn và bị kìm hãm với các kích thước nhỏ hơn. Khoảng cách và đường kính cột lớn cho phép chất lỏng dễ dàng xuyên qua nhờ lực mao dẫn giảm và tăng cường lưu lượng không khí ra ngoài. Sự khác biệt về vận tốc chất lỏng-không khí này tạo ra sự không ổn định ở cạnh của giọt nước đang lan rộng, từ đó tạo ra hiện tượng bắn tung tóe dựa trên cơ chế không ổn định Kelvin-Helmholtz. Bên cạnh đó, hiện tượng bắn tung tóe được quan sát sớm hơn trên các kết cấu vi mô/nano so với các bề mặt được kết cấu vi mô. Do giọt nước va chạm không thể xuyên qua các cột nano do áp suất mao dẫn cao hơn và sự hình thành điều kiện biên trượt, điều này làm giảm ma sát không khí. Do đó, sự gia tăng tỷ lệ vận tốc không khí-chất lỏng dẫn đến hiện tượng bắn tung tóe.
Từ khóa
#bắn tung tóe #giọt nước #bề mặt kỵ nước #kết cấu vi mô #kết cấu nanoTài liệu tham khảo
R. Rioboo, C. Tropea and M. Marengo, Outcomes from a drop impact on solid surfaces, Atomization and Sprays, 11 (2001) 155–165.
A. L. Yarin, Drop impact dynamics: splashing, spreading, receding, bouncing, Annu. Rev. Fluid Mech., 38 (2006) 159–192.
C. Josserand and S. T. Thoroddsen, Drop impact on a solid surface, Annu. Rev. Fluid. Mech., 48 (2016) 365–391.
P. Tsai, S. Pacheco, C. Pirat, L. Lefferts and D. Lohse, Drop impact upon micro- and nano-structured superhydrophobic surfaces, Langmuir, 25 (2009) 12293–12298.
H. Kim, C. Lee, M. H. Kim and J. Kim, Drop impact characteristics and structure effects of hydrophobic surfaces with micro-and/or nano-scaled structures, Langmuir, 28 (2012) 1250–11257.
N. D. Patil, R. Bhardwaj and A. Sharma, Droplet impact dynamics on micropillared hydrophobic surfaces, Exp. Ther. and Fluid. Sci., 74 (2016) 195–206.
N. P. Sapkal, K. D. Seo and D. I. Yu, Visualization study of droplet impact phenomena on micro-, micro/nano-textured surfaces and lubricant infused surfaces, J. Korean Soc. of Mech. Technol., 22(6) (2020) 1161–1168.
V. Bergeron, D. Bonn, J. Y. Martin and L. Vovelle, Controlling droplet deposition with polymer additives, Nature, 405 (2000) 772–775.
D. B. van Dam and C. L. Clerc, Experimental study of the impact of an ink-jet printed droplet on a solid substrate, Phys. Fluids, 16 (2004) 3403–3414.
I. V. Roisman, K. Horvat and C. Tropea, Spray impact: rim transverse instability initiating fingering and splash, and description of a secondary spray, Phys. Fluids, 18 (2006) 102104.
A. L. N. Moreira, A. S. Moita and M. R. Panaro, Advances and challenges in explaining fuel spray impingement: how much of single droplet impact research is useful?, Prog. Energy Combust. Sci., 36 (2010) 554–580.
A. M. Worthington, A second paper on the forms assumed by drops of liquids falling vertically on a horizontal plate, Proc. R. Soc. London, 25 (1876) 498–503.
R. F. Allen, The role of surface tension in splashing, J. Colloid Interface Sci., 51 (1975) 350–351.
H. Kim, U. Park, C. Lee, H. Kim, M. H. Kim and J. Kim, Drop splashing on a rough surface: how surface morphology affects splashing threshold, Appl. Phys. Lett., 104 (2014) 161608.
Y. Liua, P. Tana and L. Xu, Kelvin-Helmholtz instability in an ultrathin air film causes drop splashing on smooth surfaces, PNAS, 112 (2015) 3280–3284.
J. Liu, H. Vu, S. S. Yoon, R. Jepsen and G. Aguilar, Splashing phenomena during liquid droplet impact, Atomization and Sprays, 20(4) (2010) 297–310.
C. Mundo, M. Sommerfeld and C. Tropea, Droplet-wall collisions: experimental studies of the deformation and breakup process, Int. J. Multiphase Flow, 21 (1995) 151–173.
L. Xu, W. W. Zhang and S. R. Nagel, Drop splashing on a dry smooth surface, Phys. Rev. Lett., 94 (2005) 184505.
L. Xu, Liquid drop splashing on smooth, rough, and textured surfaces, Phy. Rev. E, 75 (2007) 056316.
G. Riboux and J. M. Gordillo, Experiments of drops impacting a smooth solid surface: model of the critical impact speed for drop splashing, Phys. Rev. Lett., 113 (2014) 024507.
K. Range and F. Feuillebois, Influence of surface roughness on liquid drop impact, J. Coll. Interf. Sci., 203 (1998) 16–30.
A. Latka, A. S. Peshkin, M. M. Driscoll, C. S. Stevens and S. R. Nagel, Creation of prompt and thin-sheet splashing by varying surface roughness or increasing air pressure, Phy. Rev. Letters, 109 (2012) 054501.
T. C. de Goede, N. Laan, K. G. de Bruin and D. Bonn, Effect of wetting on drop splashing of Newtonian fluids and blood, Langmuir, 34 (2018) 5163–5168.
T. C. de Goede, K. G. de Bruin, N. Shahidzadeh and D. Bonn, Droplet splashing on rough surfaces, Phys. Rev. Fluids, 6 (2021) 043604.
R. Rioboo, M. Voue, A. Vaillant and J. De Coninck, Drop impact on porous superhydrophobic polymer surfaces, Langmuir, 24 (2008) 14074–14077.
D. Bartolo, F. Bouamrirene and A. Buguin, Bouncing or sticky droplets: impalement transitions on micropatterned surfaces, Europhys Lett., 74 (2006) 299–305.
M. Reyssat, A. Pépin, F. Marty, Y. Chen and D. Quéré, Bouncing transitions on microtextured materials, Europhys. Lett., 74 (2006) 306–312.
K. M. Wisdom, J. A. Watson, X. Qu, F. Liu, G. S. Watson and C. H. Chen, Self-cleaning of superhydrophobic surfaces by self-propelled jumping condensate, PNAS (2013) 7992–7997.
H. Y. Guo, B. Li and X. Q. Feng, Stability of Cassie-Baxter wetting states on microstructured surfaces, Phy. Rev. E, 94 (2016) 042801.
R. Zhang, P. Hao, X. Zhang, F. Niu and F. He, Tunable droplet breakup dynamics on micropillared superhydrophobic surfaces, Langmuir, 34 (2018) 7942–7950.
H. Jansen, M. de Boer, R. Legtenberg and M. Elwenspoek, The black silicon method: a universal method for determining the parameter setting of a fluorine-based reactive ion etcher in deep silicon trench etching with profile control, J. Micromech. Microeng., 5 (1995) 115–120.
D. I. Yu, H. J. Kwak, C. Park, C. Choi, N. P. Sapkal, J. Hong and M. H. Kim, Wetting criteria of intrinsic contact angle to distinguish between hydrophilic and hydrophobic micro-/nano-textured surfaces: experimental and theoretical analysis with synchrotron X-ray imaging, Langmuir, 35 (2019) 3607–3614.
R. Xiao, R. Enright and E. N. Wang, Prediction and optimization of liquid propagation in micropillar arrays, Langmuir, 26 (2010) 15070–15075.
D. Bartolo, C. Josserand and D. Bonn, Singular jets and bubbles in drop impact, Physical Review Letters, 96 (2006) 124501.
C. Stanley, R. Jackson, N. Karwa and G. Rosengarten, The effects of surface wettability on droplet fingering, 19th Australasian Fluid Mechanics Conference (2014).
S. Kim, T. Wang, L. Zhang and Y. Jiang, Droplet impacting dynamics on wettable, rough and slippery oil-infuse surfaces, Journal of Mechanical Science and Technology, 34(1) (2020) 219–228.
P. Tsai, R. C. A. Van Der Veen, M. Van De Raa and D. Lohse, How micropatterns and air pressure affect splashing on surfaces, Langmuir, 26 (2010) 16090–16095.
S. Mandre, M. Mani and M. P. Brenner, Precursors to splashing of liquid droplets on a solid surface, Phys. Rev. Lett., 102 (2009) 134502.
M. Mani, S. Mandre and M. P. Brenner, Events before droplet splashing on a solid surface, J. Fluid. Mech., 647 (2010) 163–185.
M. M. Driscoll and S. R. Nagel, Ultrafast interference imaging of air in splashing dynamics, Phys. Rev. Lett., 107 (2011) 154502.
S. S. Yoon, R. A. Jepsen, S. C. James, J. Liu and G. Aguilar, Are drop-impact phenomena described by Rayleigh-Taylor or Kelvin-Helmholtz theory?, Drying Technology, 27(3) (2009) 316–321.
T. Deng, K. K. Varanasi, M. Hsu, N. Bhate, C. Keime, J. Stein and M. Blohm, Nonwetting of impinging droplets on textured surfaces, Appl. Phys. Lett., 94 (2009) 133109.
H. Kim and S. H. Kim, Non-wettable hierarchical structure effect on droplet impact and spreading dynamics, Langmuir, 34 (2018) 5480–5486.