潤濕性圖案表面上的液滴側向彈跳行為

任輝，王宏，2，朱恂，2，陳蓉，2，廖強，2，丁玉棟，2

（1重慶大學工程熱物理研究所，重慶 400030；2低品位能源利用技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶 400030）

引 言

液滴的定向運動在自然過程中廣泛存在，例如，沙漠甲蟲利用其背部特殊的親疏水結構實現(xiàn)水的收集和定向運動[1]；仙人掌使用圓錐形的尖刺來提供拉普拉斯壓力梯度[2]，從而將水輸送到其底部。在生產生活中，液滴定向運動也被廣泛應用于自清潔[3-5]、傳熱強化[6-9]、霧滴捕集[10-12]、生物化學[13-15]等領域。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，液滴的精確操控越來越受到人們關注，如何實現(xiàn)液滴的定向運動也成為眾多學者密切關注和不斷探索的問題。

液滴在表面的運動是流體與固體壁面相互作用的結果。因此，有學者通過構建表面化學梯度或結構梯度等方式使表面的潤濕性梯度化，以此使得液滴在表面上定向運動。1992年，Chaudhury等[16]利用化學沉積法構建了具有表面能量梯度的表面，使得液滴在傾斜的基底上自發(fā)地從疏水端向親水端沿斜面向上運動；Daniel等[17]通過氣相沉積辛基三氯硅烷在硅片表面形成了徑向化學梯度，使得冷凝過程中，冷凝液快速向表面邊緣運動，并掃除了沿途的冷凝液，提高了傳熱效率；Zheng等[18]觀察到蛛絲的定向集水過程，通過對蛛絲的結構進行觀察、分析，并使用納米纖維對其進行模仿、重構，實現(xiàn)了液滴的收集和定向運動；Yan等[19]通過電化學陽極氧化方法在銅網(wǎng)表面上形成了具有密度梯度的Cu(OH)2，實現(xiàn)銅網(wǎng)表面上油滴的單向運動和水的選擇性滲透，這有利于油水混合物的快速分離，提高了油水分離的效率；Chen等[20]利用激光加工技術在Ti基板上加工了深度梯度變化的溝槽結構，實現(xiàn)了液滴在表面上的單向運動；Yang等[21]將超疏水磁膜與電磁柱陣列結合，利用磁力使磁膜表面發(fā)生變形進而引導表面上的液滴運動。

上述研究表明通過改變表面化學組成或結構的方法對表面的潤濕性進行調控，可以實現(xiàn)液滴的定向輸運功能，不僅深化了人們對流體復雜界面現(xiàn)象的認識，同時也為微流控技術、表面工程、能源化工等領域中流體輸運和操控方法開拓出新的研究方向。正是基于界面非平衡表面力所帶來的界面效應，很多學者在表面潤濕性梯度的設計和加工方面做了很深入的探討，獲得了很多極具特色的表面結構[22-23]，但是相應的加工技術要求嚴苛、成本較高。基于此，本文提出了利用潤濕性圖案表面產生的非平衡力，并結合液滴撞擊的能量，實現(xiàn)撞擊液滴的定向彈跳控制，使液滴能夠在表面快速定向運動。

液滴撞擊固體表面的運動特性受到表面條件、液滴屬性和撞擊條件等因素的影響[24-26]，本文采用可視化手段探究總結了親水條紋的尺寸、撞擊液滴速度、液滴撞擊位置對潤濕性圖案表面上撞擊液滴分裂定向彈跳運動的影響。對液滴定向彈跳行為的研究有助于拓展表面潤濕性功能材料在化工、能源以及微流控等領域中的應用。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗表面的制備及表征

本實驗中所使用的原始表面采用化學合成法與表面噴涂的方式得到，其制備流程簡述如下。首先，通過浸泡、離心、干燥的方法使用十七氟(1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷)對二氧化鈦（P25）納米粉末進行疏水改性，得到具有疏水性質的二氧化鈦粉末。將0.67 g聚偏氟乙烯粉末超聲分散到20 g二甲基甲酰胺中，得到化學合成所需的前體溶液。隨后，將0.9 g疏水改性后的二氧化鈦粉末加入到分散均勻的前體溶液中并磁力攪拌至混合均勻。此后，依次加入一定比例的3-氨丙基三乙氧基硅烷、十二烷基苯磺酸鈉、氨水，混合均勻后在45℃條件下反應2 h。最后，將得到的合成物均勻噴涂到基底上，120℃干燥1 h，得到具有疏水性質的表面。利用動態(tài)接觸角測量儀(XCT-CAMC33)與去離子水對表面接觸角進行測量，得到5μl液滴在疏水表面上的接觸角(CA)約為155°。

所制備的疏水表面中含有大量的二氧化鈦，由于二氧化鈦出色的光催化性能，在紫外線的照射下疏水改性過程中嫁接在二氧化鈦表面的疏水基團會催化分解[27-30]，使得表面的潤濕性發(fā)生改變。用具有一定圖案的掩膜覆蓋表面，隨后進行紫外曝光，表面上就會形成具有特殊形狀的親水區(qū)域。圖1(a)所示是將表面覆蓋掩膜并在強度為60 mW/cm2的紫外線下曝光1 h后形成的親水字樣。因此，通過掩膜覆蓋表面并在強度為60 mW/cm2的紫外線下曝光1 h的方法得到液滴撞擊實驗所需的親-疏水表面，其示意圖如圖1(b)所示。

圖1 潤濕性圖案表面Fig.1 Wettability-patterned surface

1.2 液滴撞擊實驗裝置及參數(shù)設置

液滴撞擊表面可視化實驗系統(tǒng)如圖2(a)所示。實驗中工質選擇為去離子水，由微量注射泵控制撞擊液滴的量，每次所滴的液滴體積為15μl，質量為15.5 mg，實驗中液滴的質量均通過稱重法計算得到。可通過調節(jié)連接針管的升降臺調整針管高度，控制實驗中液滴的撞擊速度。表面的位置通過三維移動平臺進行調節(jié)。液滴撞擊表面的運動過程使用兩臺高速攝像機分別從x與y方向進行記錄，拍攝速率分別為2000幀/秒和1000幀/秒，曝光時間分別為490μs和990μs，光圈分別為f/4和f/5.6，兩臺相機的分辨率均為1024×1024。隨后通過圖像處理軟件i-speed進行數(shù)據(jù)處理與分析。

圖2 實驗系統(tǒng)及實驗參數(shù)設置示意圖Fig.2 Schematic view of the experimental setup and experimental parameters setting

實驗過程中涉及的液滴撞擊速度、分裂液滴的彈跳距離和質量等參數(shù)是通過公式計算或圖像處理得到的。因此，為了實驗結果的準確性，對各參數(shù)進行了誤差分析。對于計算得到的參數(shù)使用如下誤差傳遞公式進行計算：

實驗過程中所涉及的主要參數(shù)如表1所示。實驗中所用的測試表面為帶有一條親水條紋的超疏水表面。測試過程中采用帶有不同寬度親水條紋的表面探究了親水條紋尺寸對液滴撞擊表面后運動行為的影響。液滴撞擊表面時的接觸位置為液滴撞擊點位置，其距離條紋中心的距離定義為偏移距離，實驗中的偏移距離分別設置為1、2和3 mm。在每一種偏移距離下通過調整針管高度，即距表面10 mm變化至60 mm，每次調整高度增加5 mm，以此獲得液滴撞擊表面速度對后續(xù)運動行為的影響。上述參數(shù)設置示意如圖2(b)所示。

表1 實驗參數(shù)設置Table 1 Experimental parameters setting

2 實驗結果與討論

2.1 液滴撞擊表面后側向彈跳的運動過程

液滴撞擊疏水表面會經歷鋪展、回縮、彈跳等過程。實驗中分別從x、y兩個方位對液滴撞擊表面后的行為進行了觀測和記錄，圖3為液滴撞擊表面后不同運動行為的示意圖，其中坐標中心為液滴撞擊點，0時刻為液滴接觸表面時刻。當撞擊點與條紋中心重合，液滴撞擊表面鋪展回縮后垂直向上拉伸，隨后滯留在條紋處，如圖3(a)所示。調整液滴撞擊表面的位置，使撞擊點偏離條紋中心，發(fā)現(xiàn)撞擊表面后液滴分裂，并且分裂液滴向親水條紋一側運動，如圖3(b)所示。為了更加深入地分析液滴撞擊表面后產生不同運動行為的原因，提取了上述過程中x、y方向上液滴兩側鋪展距離的變化，如圖3(c)、(d)所示。結合圖3(a)、(c)可知，當液滴撞擊條紋中心時，在x方向與y方向上以撞擊點為中心，液滴兩側的鋪展距離先增加后減小，兩側的鋪展回縮過程是對稱的，液滴兩側的形態(tài)也以撞擊點為中心軸對稱。此時，液滴內部徑向指向撞擊點的合力為零，沒有產生可使液滴發(fā)生橫向運動的驅動力，液滴撞擊表面后垂直向上運動。而由圖3(b)、(d)可以發(fā)現(xiàn)，當液滴偏移親水條紋中心撞擊表面時，液滴向條紋一側彈跳。從圖3(b)、(d)中x方向上的液滴形態(tài)以及液滴兩側的鋪展變化規(guī)律可知，由于親水條紋對液滴三相線移動的釘扎作用，使得回縮過程中液滴右側在條紋處移動速度降低而液滴左側繼續(xù)回縮，液滴中心兩側的回縮速度出現(xiàn)了差異，回縮形態(tài)出現(xiàn)了不對稱，造成液滴內部沿徑向方向上的合力不再為零，從而導致了液滴在x方向上向親水條紋側偏移。

此外，對比圖3(b)、(d)中x與y方向上液滴兩側的形態(tài)和鋪展距離可知：在y方向上，液滴撞擊表面后液滴兩側鋪展回縮的趨勢一致，并且y方向上液滴兩側的形態(tài)相同；而在x方向上，液滴左右兩側在回縮過程中的運動趨勢和形態(tài)差異大。因此，不平衡徑向力主要產生于x方向上，液滴在x方向上側向彈跳，在y方向上無液滴的側向彈跳運動。隨后，提取了x方向上液滴兩側的運動速度，如圖4所示。從圖4可知，液滴右側邊緣約在7.5 ms時回縮至親水條紋處，此時液滴左右兩側的速度出現(xiàn)明顯差異，隨后液滴右側的回縮速度減小至0不再回縮，而液滴左側繼續(xù)回縮。同時從圖3(b)中x方向上的液滴形態(tài)可知，相對于液滴右側曲面形狀，液滴左側形成曲率半徑較小的曲面，這可能會使得液滴內部由于表面張力導致的附加壓力出現(xiàn)不同。因此，通過數(shù)值模擬的方法對液滴內部的壓力分布進行了探究分析。

圖3 液滴撞擊表面后的不同形態(tài)演變Fig.3 Different morphological evolution of droplets after impacting the surface

圖4 x方向上液滴兩側的速度變化曲線(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊偏移距離2 mm,撞擊高度20 mm)Fig.4 The velocity change curve on both sides of the droplet in the x direction(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,N=2 mm,impact height:20 mm)

使用Fluent軟件，采用結合VOF方法與Levelset方法優(yōu)點的CLSVOF方法對液滴在圖案表面的鋪展回縮過程進行模擬，建立了如圖5(a)所示三維模型。VOF方法通過定義體積分數(shù)α追蹤界面，其控制方程如式(2)所示。α的定義為單元中流體體積與單元體積之比，α=1為單元中充滿液體，α=0為單元中充滿氣體，相界面為0<α<1。

式中,U為速度，t為時間。

Level-set方法是定義相界面的有符號距離函數(shù)，相界面為隱式函數(shù)的零等值面，可以表示為φ(x,t)=0。在兩相流系統(tǒng)中有：

式中,d是相界面距離，φ的控制方程為：

對于不可壓縮流體，其連續(xù)性方程和動量方程如式(5)、式(6)所示：

其中，κ是界面曲率，由式（7）得到：

其中，a=1.5s，s是最小網(wǎng)格尺寸，界面法向量n計算如下：

模擬與實驗采用相同的工況，計算工質為水和空氣，空氣為連續(xù)相，水為離散相，液滴直徑為3 mm、速度為0.626 m/s，撞擊偏移距離為2 mm，親水條紋尺寸為9 mm×0.3 mm，表面疏水區(qū)域的接觸角為155°，親水區(qū)域的接觸角為31°。采用PISO算法對模型進行求解，氣液界面重構采用Geo-Reconstruct方法，動量項和Level-set函數(shù)均采用二階迎風格式，計算時間步長依據(jù)Courant number設定為10-7～10-6s。為了確保計算結果的準確性，對計算模型進行了網(wǎng)格無關性驗證以及模型驗證，如圖5(b)、(c)所示。驗證過程中定義了無量綱參數(shù)液滴鋪展系數(shù)β（β=D/Ddroplet），表示表面上液膜鋪展直徑D與液滴直徑Ddropet的比值。從圖5(b)中可知，當網(wǎng)格數(shù)量為108萬個時，鋪展系數(shù)曲線在13 ms后明顯區(qū)別于另兩條曲線。而在網(wǎng)格數(shù)量為144萬個和180萬個時，計算得到的鋪展系數(shù)變化趨勢相同。因此，綜合考慮計算結果的準確性和計算的經濟性，確定計算的網(wǎng)格數(shù)量為144萬個。從圖5(c)中模擬和實驗結果的對比可以發(fā)現(xiàn)，模擬結果與實驗結果的數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似且數(shù)值相近，并且模擬和實驗中的液滴具有相似的運動形態(tài)。上述對比證明了本文模型的可行性。

圖5 數(shù)值計算模型及驗證Fig.5 Numerical calculation model and verification

圖6為通過數(shù)值計算得到的液滴內部的壓力云圖?？梢钥闯?，當液滴撞擊表面后由于親水條紋的釘扎作用，液滴在回縮過程中左右形態(tài)不一致，導致了液滴內部左側的壓力高于右側。這就進一步促使液滴整體向右偏移，隨后液滴分裂向條紋一側運動。綜上，液滴偏移親水條紋中心撞擊表面后，在條紋的作用下可出現(xiàn)液滴分裂并向條紋一側彈跳的現(xiàn)象。表面親水條紋促使液滴側向運動的徑向力主要發(fā)生在x方向上，主要作用于液滴的回縮過程。而液滴撞擊潤濕性圖案表面的側向分裂彈跳運動主要受到撞擊表面條紋尺寸、液滴速度和撞擊位置的影響，下面將討論各因素對液滴側向彈跳的影響。

圖6 撞擊液滴內部的壓力分布云圖(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊偏移距離2 mm、撞擊高度20 mm)Fig.6 The pressure distribution cloud diagraminside the impacting droplet(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,N=2 mm,impact height:20 mm)

2.2 撞擊位置對液滴撞擊彈跳行為的影響

液滴撞擊表面的位置會影響液滴撞擊表面后的側向彈跳行為。因此，本文對比了在親水條紋長9 mm、寬0.3 mm條件下，偏移距離N分別為1、2、3 mm時，液滴撞擊表面后側向彈跳的情況，探究了撞擊位置對液滴撞擊潤濕性圖案表面后的側向彈跳行為的影響。

圖7記錄了液滴撞擊表面不同位置時，撞擊表面后分裂彈跳液滴占撞擊液滴質量的百分比。由于主要關注表面親水條紋作用下撞擊液滴在表面上的定向彈跳運動，因此實驗中，將液滴撞擊表面后被親水條紋捕獲滯留、液滴未分裂或撞擊后分裂的液滴無側向運動的情況，均視為無效工況，并將此時的液滴分裂質量占撞擊液滴質量的百分比記為0。從圖7中可以看出，當撞擊點偏移距離為1 mm時，親水條紋對液滴撞擊表面后分裂彈跳行為的影響較小。盡管隨著液滴撞擊速度的增大，有較小質量的分裂液滴產生，但是撞擊液滴大部分被親水條紋捕獲，滯留在表面，其運動過程如圖8(a)所示。在此條件下小液滴的分裂是由于液滴撞擊表面后回縮拉伸，液滴具有的能量克服表面能的作用，液滴拉伸后頂部收縮分裂出小液滴[31]。對比圖7中偏移2 mm時的液滴分裂質量比可知，在偏移距離為2 mm時，液滴撞擊表面分裂后，分裂液滴的質量較大，其運動過程如圖8(b)所示。并且，隨著撞擊高度增加，液滴的速度增加，分裂液滴的質量也逐漸增加。在兩個偏移距離下，出現(xiàn)這樣的不同是因為撞擊表面后液滴在鋪展過程中所覆蓋的親水條紋面積不同。從圖9(a)、(b)中的y方向視圖和示意圖可知，相較與偏移距離2 mm，撞擊偏移距離為1 mm時，液滴在y方向上與親水條紋的接觸長度L更長，液滴與親水條紋接觸的面積更大，因此液滴撞擊表面后需要更多的能量克服黏性摩擦做功。而當撞擊液滴距離條紋較遠時，液滴與親水條紋的接觸面積較小，所需要克服的黏性摩檫力小，因此有更多的動能轉化為液滴分裂彈跳的能量。此外，液滴撞擊表面后鋪展回縮，當液滴右側邊緣回縮至親水條紋處后被條紋固定停止運動，而左側繼續(xù)回縮直至液滴整體偏轉并拉伸分裂。此時，可將液滴右側被親水條紋固定后的液滴運動看作是以親水條紋處為支點的液滴拉伸偏轉運動，其示意圖如圖10，可用式(10)表示液滴質心相對于支點的轉動慣量。其中，I為液滴以親水條紋為支點的轉動慣量，m為液滴質量，r為液滴質心到轉動支點的距離。實驗過程中，撞擊液滴的大小保持一致，m為定值，當液滴撞擊表面的偏移距離不同，而其他條件相同時，偏移距離N越大，液滴撞擊表面后運動過程中質心距親水條紋支點的距離r越大，轉動慣量I越大，越有利于液滴向條紋一側的偏轉運動。所以，當撞擊高度相同，液滴速度一定時，偏移距離N為2 mm更有利于液滴側向偏轉以及分裂彈跳。

圖7 液滴撞擊表面不同位置分裂質量對比Fig.7 Comparison of split-massof droplet impacting surface at different positions

圖8 液滴撞擊表面不同位置運動行為對比(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊高度30 mm)Fig.8 Comparison of the motion behavior of the impact droplet at different positions on the surface(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,impact height:30 mm)

圖9 不同偏移距離N液滴撞擊表面與親水條紋接觸面積示意圖(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊高度30 mm)Fig.9 The contact area between impact droplet and hydrophilic stripe on the surface at different offset distances(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,impact height:30 mm)

圖10 液滴轉動示意圖Fig.10 Schematic diagram of droplet rotation

隨后，繼續(xù)增加液滴撞擊的偏移距離至3 mm。在此條件下，由于偏移距離過大，液滴撞擊速度較小時，撞擊鋪展后液滴無法與親水條紋接觸，其接觸示意見圖9(c)。此時，液滴撞擊表面疏水區(qū)域后垂直反彈，并在空中拉伸收縮后回落至表面，其運動過程如圖8(c)所示。此后，隨著撞擊速度的增加，液滴鋪展直徑增加，液滴與親水條紋接觸，在親水條紋的作用下，液滴分裂并向條紋一側運動，其運動過程與圖8(b)所示一致。

綜上，液滴撞擊帶有親水條紋的疏水表面后的側向彈跳行為受到液滴撞擊位置的影響，液滴撞擊位置與親水區(qū)域較近時，液滴與親水條紋的接觸面積增加，撞擊表面后液滴需用于克服摩擦力做功的能量增加，并且撞擊偏移距離較近時液滴偏轉運動的轉動慣量小，這些均不利于撞擊液滴偏轉分裂，從而大部分液滴釘扎在親水區(qū)域；當液滴撞擊位置偏離親水條紋太遠，液滴撞擊表面鋪展后無法與親水區(qū)域接觸，親水條紋失效，此時液滴撞擊在均質的疏水區(qū)域，無法實現(xiàn)液滴分裂側向彈跳。因此，要發(fā)揮表面上親水條紋的作用，使得液滴撞擊表面后側向彈跳，需要控制液滴的撞擊位置在一定的范圍內。通過本文的實驗結果可知，液滴的撞擊偏移距離應控制在2 mm左右，而液滴撞擊表面的最佳偏移距離還有待進一步的實驗探究。

2.3 親水條紋尺寸對液滴撞擊彈跳行為的影響

疏水表面上親水條紋的存在使得液滴撞擊表面后鋪展回縮過程中的動態(tài)平衡被打破，產生了液滴側向分裂彈跳的現(xiàn)象。親水表面與液滴間的相互作用強，液滴容易浸潤親水區(qū)域的微結構，從而釘扎在親水部分。因此，與液滴接觸的親水區(qū)域的大小會直接影響到液滴撞擊表面后的行為。實驗中，利用掩膜和紫外線照射表面的方法，在原始的疏水表面上形成了長9 mm、寬0.5 mm（9 mm×0.5 mm）和長9 mm、寬0.3 mm(9 mm×0.3 mm)的親水條紋，對比了親水區(qū)域尺寸對液滴撞擊表面?zhèn)认驈椞\動的影響。

實驗發(fā)現(xiàn)，偏移距離為2 mm時，親水條紋寸尺對液滴撞擊表面后的側向彈跳行為影響顯著。因此，以撞擊偏移距離2 mm為例，討論了條紋尺寸對液滴撞擊彈跳行為的影響，如圖11所示。對比圖11中兩種親水條紋尺寸下的柱狀圖可知，液滴撞擊帶有9 mm×0.3 mm親水條紋的圖案表面更易分裂出大液滴，在撞擊高度為20 mm時就能分裂出80%以上質量的液滴，而對于帶有9 mm×0.5 mm親水條紋的圖案表面，液滴在撞擊高度大于25 mm時才會有液滴分裂彈跳，當撞擊高度大于等于45 mm才能分裂出較大質量的液滴。兩個表面產生這樣的差異主要是因為液滴撞擊表面后與親水條紋接觸的面積不同，其接觸面積示意如圖12所示。液滴與親水條紋接觸的面積越大，撞擊表面后液滴在鋪展回縮過程中克服黏附力做功越多，黏性耗散越大。拉伸過程中，動能無法克服表面能作用使液滴分裂彈跳[32-33]。因此，對于較寬的親水條紋，液滴撞擊表面后需要更多的能量來克服液滴與親水條紋之間的相互作用。所以，液滴撞擊9 mm×0.5 mm親水條紋表面后，需要更大的速度才能分裂彈跳出較大質量的液滴。

圖11 液滴撞擊不同親水條紋表面分裂質量對比Fig.11 Comparison of surface split-massof droplet impacting on different hydrophilic fringes

圖12 液滴與親水條紋接觸面積示意圖Fig.12 Schematic diagram of the contact area between droplets and hydrophilic stripes

通過對比液滴撞擊不同尺寸條紋表面的實驗結果，發(fā)現(xiàn)條紋尺寸的不同會影響液滴撞擊表面后的液滴分裂結果。在撞擊偏移距離和液滴速度一定時，條紋越寬，液滴分裂彈跳的質量越少。因此，可以通過改變親水條紋的尺寸，獲得不同質量的分裂液滴，以此控制側向彈跳液滴的量。

2.4 撞擊速度對液滴撞擊彈跳行為的影響

液滴撞擊表面的速度不同會影響液滴撞擊潤濕性圖案表面后的分裂和側向彈跳行為，本文通過調節(jié)針管高度改變撞擊液滴的速度，探究了不同的撞擊速度對液滴撞擊表面后分裂彈跳行為的影響。以偏移距離為2 mm時，液滴撞擊尺寸為9 mm×0.3 mm的親水條紋表面為例，提取了不同速度下液滴撞擊表面后的分裂液滴質量占比和分裂液滴的側向彈跳距離，如圖13所示。當針管高度大于20 mm，液滴撞擊表面后會分裂出較大質量的液滴，隨著撞擊高度增加，液滴的速度增大，分裂液滴的質量出現(xiàn)變化，但其變化趨勢較為平緩。而隨著液滴撞擊速度的增加，液滴撞擊表面后分裂液滴側向彈跳的距離不斷增加。液滴分裂質量變化不大，但是分裂液滴彈跳距離增加是因為，隨著撞擊速度的增加，液滴的最大鋪展面積A增加，一定偏移距離下，液滴與親水條紋的接觸面積Aa也隨著速度的增加而增加，但是相較于A，Aa是一個非常小的量。圖14為不同撞擊高度時Aa與A的比值，從圖14可知液滴撞擊表面后Aa/A均在4%左右。因此，相較于A，Aa是個小量，其變化對撞擊液滴分裂質量的影響較小，因此不同撞擊高度下分裂液滴質量所占撞擊液滴的質量比變化較小。但是，隨著液滴速度的增加，液滴的初始動能增加，液滴撞擊表面分裂后，有更多的剩余動能使得液滴側向彈跳[34]。為了對這一現(xiàn)象有更加深入的了解，提取了不同速度的液滴撞擊表面后，液滴分裂時刻到分裂液滴落至表面時的沿x方向的平均速度，如圖15所示。從圖15中可以看到，隨著液滴速度的增加，液滴撞擊表面后，分裂液滴在x方向上的平均速度不斷增加，這更加直觀地證明了液滴動能的增加，也促使液滴分裂后能彈跳更遠的距離。

圖13 液滴速度與分裂質量、彈跳距離的關系(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊偏移距離2 mm)Fig.13 The relationship between droplet velocity and splitmass/bounce distance(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,N=2 mm)

圖14 撞擊液滴和親水區(qū)域接觸面積與液滴最大鋪展面積之比(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊偏移距離2 mm)Fig.14 The ratio of the contact area between the impact droplet and the hydrophilic area to the maximum spread area of the droplet(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,N=2 mm)

圖15 分裂液滴x方向平均速度圖(親水條紋9 mm×0.3 mm，撞擊偏移距離2 mm)Fig.15 The average velocity of the split droplet in the x direction(hydrophilic stripe:9 mm×0.3 mm,N=2 mm)

通過實驗，證明了液滴速度會影響撞擊表面后的液滴分裂彈跳。隨著液滴速度的增加，撞擊表面后分裂彈跳的液滴質量變化較小，但分裂液滴側向運動的距離不斷增加。通過調整液滴撞擊表面的速度可以對側向運動的液滴的質量以及液滴側向運動的距離進行調控。

3 結 論

液滴撞擊表面后會產生鋪展、回縮、彈跳、分裂等行為，改變表面性質、液滴參數(shù)、撞擊條件可以影響液滴撞擊表面后的彈跳行為。利用潤濕性圖案表面使液滴撞擊表面后定向分裂彈跳，實現(xiàn)了液滴的定向運動。通過定向運動的設計，可為水平表面上液滴運動的控制、換熱表面上液滴的定向快速掃除等研究提供新的思路。通過以上實驗研究，得到了以下主要結論。

（1）疏水表面上親水條紋的存在主要影響了液滴撞擊表面后的回縮過程。表面潤濕性的不均勻導致液滴回縮過程中液滴中心兩側的形態(tài)產生差異，使得指向撞擊中心的徑向合力不為0以及液滴內部壓力的不均勻，由此產生了液滴的側向彈跳。

（2）液滴撞擊表面的位置影響液滴的側向彈跳行為。液滴撞擊表面的位置需要控制在一定范圍內才能充分發(fā)揮表面親水圖案對液滴側向彈跳的促進作用。液滴以一定速度撞擊表面，若撞擊偏移距離太小，撞擊表面后液滴在鋪展過程中所覆蓋親水條紋的面積大，液滴需用于克服黏附力做功的能量增加，可用于液滴分裂彈跳的動能越少，也使得有利于液滴側向偏轉分裂的轉動慣量減小，以至于撞擊液滴難以分裂彈跳；若液滴撞擊位置與親水條紋間的距離過大，會使得液滴撞擊表面后無法接觸親水區(qū)域，親水條紋失效，液滴無法側向彈跳。

（3）表面上親水區(qū)域的尺寸影響液滴撞擊表面后的側向彈跳行為。相同條件下，條紋越寬，液滴撞擊表面后與親水區(qū)域的接觸面積越大，液滴與親水區(qū)域的相互作用越強，液滴鋪展回縮過程中所耗散的能量越多，撞擊表面后更難以分裂出較大質量的液滴并使其向條紋一側彈跳。因此，改變表面條紋的尺寸可以對側向運動的液滴的質量加以控制。

（4）液滴的撞擊速度越大，液滴的初始動能越大，一定條件下，液滴撞擊表面后分裂的質量隨液滴撞擊速度的變化較小，但分裂液滴側向彈跳的距離隨著液滴撞擊速度的增加不斷增大。對液滴的速度加以控制可以控制液滴側向彈跳的質量及距離。