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  液滴彈跳是一種關(guān)鍵現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于自清潔、抗冰、熱傳遞和能量收集等領(lǐng)域。以往的研究主要集中在通過表面工程改變彈跳行為上，而對液滴復(fù)雜性的影響了解較少。近日，香港城市大學(xué)機(jī)械工程系朱平安課題組和物理系柴愚課題組合作報(bào)道了高溫液滴（由正十六烷、大豆油和硅油組成）在冷固體表面上的彈跳增強(qiáng)，涵蓋了燃燒和非燃燒狀態(tài)。其研究闡明了馬朗戈尼效應(yīng)在液滴自然冷卻過程中所起的關(guān)鍵作用，該效應(yīng)使氣膜增厚，從而增強(qiáng)彈跳。這與室溫液滴彈跳過程中持續(xù)的氣膜壓縮、萊頓弗羅斯特液滴懸浮中外部加熱對氣膜的增強(qiáng)，或熱水滴因蒸汽凝結(jié)而導(dǎo)致的氣膜崩潰形成鮮明對比。液滴的彈跳增強(qiáng)為進(jìn)一步應(yīng)用開辟了新途徑，例如，通過實(shí)現(xiàn)燃料液滴的持續(xù)燃燒來提高效率，并有助于開發(fā)能夠抵御燃燒液滴的阻燃涂層。相關(guān)工作以Self-lubricated bouncing of hot droplets為標(biāo)題發(fā)表在Newton創(chuàng)刊號(hào)上。

燃燒液滴的彈跳增強(qiáng)

圖1 燃燒液滴的彈跳增強(qiáng)

影響液滴彈跳的因素

圖2 高溫液滴彈跳增強(qiáng)的臨界條件

氣膜的演變

圖3 撞擊過程中液滴的氣膜演變

馬朗戈尼效應(yīng)導(dǎo)致的自增厚氣膜

圖4 氣膜增厚機(jī)制

應(yīng)用前景

圖表5 燃燒液滴反彈的應(yīng)用

  本研究表明，高溫液滴在多種固體表面上表現(xiàn)出增強(qiáng)的彈跳現(xiàn)象，這是一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象，主要依賴于液滴的狀態(tài)，而與表面特性無關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，燃燒液滴的火焰對彈跳動(dòng)力學(xué)影響微乎其微，彈跳增強(qiáng)主要?dú)w因于液滴的高溫。自發(fā)生成的熱毛細(xì)流在加厚潤滑氣膜方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，從而防止液滴與表面直接接觸。此外，彈跳增強(qiáng)現(xiàn)象適用于低揮發(fā)性熱液體，如n-十六烷、硅油和大豆油，而揮發(fā)性熱水則因蒸汽冷凝引起的潤濕效應(yīng)而表現(xiàn)出抑制的彈跳。研究預(yù)計(jì)將激勵(lì)進(jìn)一步探索液滴的溫度分布及其復(fù)雜性對彈跳動(dòng)力學(xué)的影響，從而擴(kuò)展液體排斥涂層的應(yīng)用。

  論文第一作者為香港城市大學(xué)機(jī)械工程系博士后研究員劉玉芳博士和博士生鄭雨桐，通訊作者為香港城市大學(xué)機(jī)械工程系助理教授朱平安和香港城市大學(xué)物理系助理教授柴愚。

  論文信息

  Liu, Y., Zheng, Y., Zhou, Y., Zhao, W., Li, Y., Tang, S., Wang, C., Wang, S., Chai, Y., Zhu, P. (2025). Self-lubricated bouncing of hot droplets. Newton, 1(1), 100014. 

  https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100014