固体壁面典型液滴运动行为

第1章润湿现象与液滴动力学理论

1.1固体壁面液滴运动行为研究意义

液滴作为液体的一种常见呈现状态，广泛存在于自然界和生产、生活中。从大自然中云雨的形成，到工业喷涂、农药喷洒，再到新能源、生物技术、航空航天等高新领域，液滴现象随处可见（图1.1）。

老街区旧房屋檐下的石板路上，随处可见的深浅不一的水坑，让人们见证水滴石穿的同时，也好奇水滴的巨大威力；汽车、飞机行驶在雨中时，迎面而来的雨滴撞击到挡风玻璃后破碎成细小液滴，并形成尾迹很长的水滴迹线，致使驾驶员视线受到影响；酿酒蒸馏中，液滴顺着冷却壁面流入采集瓶中，还会在采集瓶内壁出现神奇的“眼泪”现象[]；涂料工业中，即使在壁面上存留有微小体积的液滴，也足以破坏工艺设备表面精确镀膜的均匀性；农药喷洒作业中，农药液滴在喷射器内高压空气的作用下排出，散落在植物的瓜果和叶面上，如何实现疏水性叶面上农药液滴的保持和停留也是一项重要农业技术。

在航空航天领域中，当雨滴高速撞击到发动机进气道壁面上时，会形成一道道不规则的水滴迹线，使得高速气流被突然阻挡和压缩，出现复杂的激波系[R]；发汗冷却技术(transpiration cooling)则是模仿生物，通过冷却液从壁面上的微孔中以液滴的形式不断挤出蒸发，来实现热防护的目的。另外，由连续液滴组成的液滴束流技术已被成功应用于喷墨打印、高速细胞分类等领域，且未来在外太空飞行器间浆料、燃料等液体的无管道输送、空间飞行器修复等领域也具有很好的应用前景[3-5]。

近年来，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)技术（图1.2）发展迅猛，国内外许多研发机构已陆续开发出了验证样机。其中，水管理(water management)）问题是PEMFC领域亟须解决的关键性科学难题之一12.5]。当PEMFC运行时，内部会不断产生水（其稳定运行温度一般在80℃左右，该条件下水主要以液态水滴状态存在），而这些水滴需要在反应气体夹带与吹扫作用下实时移除。当大量水滴在内部发生汇集现象时，就会导致供气通道两端压降增大，出现气流和反应物分布不均匀，从而降低PEMFC的工作性能（图1.2）。另外，大量水滴在电极板上铺展后，还会阻止反应气体与催化剂的接触，出现电极“水淹”现象，甚至导致电池失效。因此，如何及时有效地移除内部不断产生的水滴，并抑制伴随发生的水滴汇集和铺展，是持续对外高性能输出电能的关键，也是阻止PEMFC走向商品化的一个富有挑战性的障碍[5]。目前，国内外研究者通过对PEMFC内部水滴的产生与分布状态的试验与仿真研究，先后提出了增大反应气体流速、改进流道结构等改善水管理效果的技术策略，但这些方法共同的缺陷就是致使PEMFC偏离了最佳工作状态[2-3,5-6]。

综上所述，液滴运动涉及人们生产、生活的诸多方面，具有非常重要的科研价值；而固体壁面上液滴运动现象是其中重要的一类。深入探索固体壁面上液滴运动及其动力学机制，不仅能更好地认识自然现象，而且有助于生产、生活中趋利避害，解决好实际工程中的液滴运动问题意义重大。近年来液滴动力学现象和技术吸引了越来越多国内外研究者的关注，在理论和试验方面取得了巨大的进展，但仍有大量问题亟待研究。因此，本书计划针对该研究领域的空缺环节，深入开展固体壁面上液滴的变形、移动、撞击、融合、振荡等研究，探索固体壁面上液滴运动基本规律，并揭示其内在动力学机制。