在带有宏观棱纹的环形装饰的非可润湿圆柱表面上实现复合液滴分离

《Separation and Purification Technology》：Compound drop separation on non-wettable cylindrical surfaces circumferentially decorated with a macroridge

Janus滴在带环状脊的凸圆柱面上的回缩模式与分离机制研究。摘要：通过三维体积-of-流体（VOF）模拟，分析了不同曲率比、韦伯数和粘度比对二元滴（高粘度甘油-水混合物与低粘度水）在凸圆柱表面回缩模式及分离效率的影响。揭示了双方向回缩（BD）和单方向回缩（UD）的机理差异：BD模式对称回缩无分离，而UD模式因脊结构诱导的不对称性可触发低粘度水相选择性分离。发现当韦伯数与圆柱直径比超过经验阈值时，UD模式才会发生分离。高粘度比和曲率比通过增强表面不对称性和动量重分布，显著缩短驻留时间。理论标度律与模拟结果吻合，证实该综合参数可有效描述回缩模式转变。研究为超疏水表面设计提供新依据。

　　这项研究探讨了在具有凸起脊线的凸形圆柱表面上，具有粘度差异的二元液滴在冲击时的动力学行为。通过三维体积分数（VOF）模拟，研究团队分析了液滴的回缩模式和分离结果，揭示了曲率比、韦伯数（Weber number）和粘度差异在这些过程中的关键作用。研究发现，液滴在回缩时有两种不同的模式：双向（Bi-Directional, BD）回缩和单向（Uni-Directional, UD）回缩。在双向回缩模式中，液膜在轴向和环向方向上对称地回缩；而在单向回缩模式中，由于脊线引发的不对称性，液滴的轴向坍塌导致低粘度水相的选择性分离。此外，研究还发现，只有在单向回缩模式中，当液滴的韦伯数与归一化圆柱直径的组合参数超过经验阈值时，才会发生分离。更高的粘度比和曲率会增强液滴形态的不对称性，影响动量分布，并进一步缩短液滴在表面停留的时间。理论上的缩放规律与模拟结果吻合良好，表明组合参数能够可靠地描述回缩模式之间的转变。这些结果为通过曲率和粘度差异控制复合液滴分离提供了预测性指导。

在研究的背景下，表面工程和化学处理的进步使得超级疏水表面得以实现，这些表面具有极低的接触角滞后，从而形成高度水排斥的界面。受到如荷叶等自然现象的启发，这些表面被广泛应用于减少阻力、自清洁和抗湿技术。液滴与这些表面的相互作用成为研究的重点，因为液滴的反弹、部分反弹和完全分离等现象在许多功能应用中至关重要。在平坦的超级疏水表面上，液滴的冲击、扩展、回缩和反弹已被广泛研究，其中冲击后的对称性通常得以保持。然而，现实中的表面往往由于宏观粗糙度、图案化脊线、曲率、冲击方向、倾斜角度、结构弹性或动态表面运动等因素而偏离这种对称性。这些不对称性可以改变液滴的回缩动力学、能量耗散以及反弹与钉接之间的转换过程。对于具有明显接触角超过150度的理想超级疏水表面，液滴的停留时间有一个理论下限，这个下限与液滴的密度、初始直径和表面张力有关，且与冲击速度无关，强调了几何形状和表面图案在进一步减少停留时间中的重要性。

研究表明，将宏观脊线引入超级疏水表面可以分割冲击液滴，促进不对称液膜回缩，并显著减少液滴的停留时间。研究还探讨了脊线几何形状、尺寸和排列对液滴扩展对称性、运输方向和二次收缩抑制的影响。然而，这些研究主要集中在单一相液滴，而忽略了具有粘度差异的Janus液滴在脊线圆柱表面冲击时的动态行为。Janus液滴由两种互不相溶的液相组成，通常具有不同的粘度。这两种液相的差异特性在冲击过程中会形成复杂的内部流动模式，而结构化的超级疏水表面可以放大这些效应。Yu等人指出，将高粘度部分引入低粘度Janus液滴中，可以显著促进低粘度侧在不润湿表面上的飞溅，通过在两个液相之间产生相反方向的运动，从而破坏边缘。他们的研究关注的是通过粘度比的变化来控制飞溅阈值，而本研究则聚焦于粘度差异、曲率和脊线引发的不对称性如何控制Janus液滴的回缩模式和停留时间的减少。

在凸形圆柱表面上，曲率引入了几何约束，改变了液滴的冲击行为。凸形圆柱会导致液膜在曲率周围扩展，可能引发环向方向上的不对称回缩。液滴的冲击和回缩行为可以通过无量纲参数如韦伯数、雷诺数和奥恩斯洛格数来描述。韦伯数代表惯性力与表面张力之间的比率，雷诺数比较惯性与粘性效应，而奥恩斯洛格数则表征粘度相对于惯性与表面张力的相对影响。在凸形圆柱超级疏水表面上，单相液滴形成椭圆形的膜层并反弹，其停留时间和接触面积由膜层演变控制，从而影响液滴与固体之间的热和质量交换。曲率会在轴向和环向方向上产生不均匀的力，导致与平坦表面相比的不对称反弹行为，关键控制参数包括表面润湿性、曲率比（d? = d/D）和韦伯数。Zhang等人发现，基于韦伯数与曲率比的组合参数可以确定飞溅阈值，标志着从反弹到破裂的转变，同时观察到其他回缩模式，如退缩破裂、汇聚破裂、拉伸破裂和不对称飞溅。低速冲击（d? > 1）通常导致反弹，中等韦伯数产生多种破裂模式，而高速冲击在较大直径的基底上则会导致飞溅。

Chen等人指出，超级疏水圆柱表面上的方位脊线可以在高韦伯数范围内缩短液滴的停留时间，通过诱导雷利-平板破裂驱动的液膜破裂，且当韦伯数与曲率比的组合参数超过2.42时，这一效果会进一步增强，同时在更高的韦伯数或更小的曲率比下，效果更为显著。Haokun等人通过数值模拟研究了倾斜超级疏水圆柱表面上的液滴固化，发现增加凸性或疏水性会减少液滴的扩展面积，减缓热传递，并延长固化时间，而更高的韦伯数和斯特藩数则会加速固化。Huang和Qian研究了沟槽尺寸对沟槽圆柱超级疏水表面的影响，发现沟槽宽度和深度比对润湿转变、扩展和停留时间有显著影响，更高的宽度比在较大的韦伯数下有利于韦泽尔状态的形成。Naveen和Harikrishnan研究了倾斜的超级疏水圆柱表面，观察到增加倾斜角度会扭曲膜层形状，减少方位扩展，并改变冲击后的结果，如破裂和滑动，同时提出了扩展长度的修正缩放规律。Wu等人分析了液滴在倾斜超级疏水圆柱表面的冲击，识别出四种运动模式：完全反弹、纯滑动、破碎和振荡，同时指出倾斜角度和韦伯数共同控制扩展、滑动距离和停留时间。Xing等人研究了油包水乳液液滴在超级疏水/超级亲油网格上的冲击，发现这些液滴对流量和分离效率有显著影响。Islamova等人分析了液滴与膜的相互作用，指出冲击速度和润湿性决定了液滴的扩展、破裂和过滤性能。尽管这些研究推动了对液滴在脊线、沟槽、曲面、倾斜和网格表面动态行为的理解，但它们几乎都专注于单一相或乳液液滴。本研究则聚焦于在具有环向脊线的凸形圆柱表面上，具有粘度差异的Janus液滴的未探索动态，揭示粘度差异、曲率和脊线引发的不对称性如何控制回缩模式和停留时间的减少。

在研究过程中，研究团队利用三维体积分数（VOF）模拟技术，详细分析了Janus液滴在冲击时的回缩模式和分离过程。研究对象包括低粘度水相（W部分）和高粘度甘油-水混合物（G部分）。初始时，W部分和G部分之间的界面被设定为与凸形圆柱的环向方向垂直。在模拟开始时，两个液相之间的界面被设定，假设在液滴冲击的短时间内，扩散可以忽略不计。通过系统地改变韦伯数、粘度比和曲率比，研究团队深入探讨了这些参数对分离效率的影响，并量化了它们对动量再分配和停留时间减少的作用。研究还强调了脊线引发的不对称性与内部粘度差异在确定分离路径中的相互作用。本研究的结果旨在拓展对在曲面、纹理基底上双相液滴冲击行为的理解，并为设计高效液滴去除功能表面提供理论依据。

研究发现，当液滴的韦伯数与归一化圆柱直径的组合参数超过经验阈值时，分离仅发生在单向回缩模式中。更高的粘度比和曲率会增强液滴形态的不对称性，进一步缩短液滴在表面停留的时间。研究团队通过三维VOF模拟，系统地分析了不同曲率比和固定粘度比下液滴的回缩过程。例如，当曲率比为2时，基底的强约束增强了不对称扩展和回缩，使得水相沿轴向方向加速，并最终从富含甘油的液相中分离，从而实现成功的Janus分离。随着曲率比增加到4和6，液滴的回缩行为表现出不同的特征，进一步说明了曲率对液滴动力学的重要影响。研究还发现，当液滴的韦伯数较高时，低粘度侧会沿曲率方向延伸，形成类似翅膀的扩展结构，这与凸形圆柱的几何形状密切相关。

此外，研究团队还发现，当液滴的韦伯数和归一化圆柱直径的组合参数超过一定阈值时，分离仅在单向回缩模式中发生。这一现象表明，液滴的分离不仅受到粘度差异的影响，还受到曲率和脊线结构的共同作用。研究进一步指出，不同的脊线几何形状和排列方式可以显著改变液滴的扩展对称性、运输方向以及二次收缩的抑制。在某些情况下，脊线结构能够增强液滴的不对称性，从而改变其回缩路径和分离效率。研究团队通过系统的数值模拟，揭示了这些参数之间的复杂关系，并验证了理论模型的适用性。这些结果不仅加深了对液滴在复杂表面上动力学行为的理解，还为相关工程应用提供了新的设计思路和优化方向。

本研究的结论表明，凸形圆柱表面上的Janus液滴冲击行为受到曲率、粘度比和惯性力的共同影响，从而决定了回缩模式和分离过程。研究团队识别出两种主要的回缩模式：双向回缩和单向回缩。在双向回缩模式中，液膜在轴向和环向方向上几乎对称地回缩，而在单向回缩模式中，轴向坍塌主导了回缩过程。研究还发现，当液滴的韦伯数与归一化圆柱直径的组合参数超过经验阈值时，分离仅发生在单向回缩模式中。这一结果表明，液滴的分离不仅取决于粘度差异，还受到曲率和脊线结构的显著影响。通过系统的实验和模拟分析，研究团队揭示了这些参数在控制液滴回缩和分离过程中的关键作用，为相关领域提供了新的理论支持和实践指导。

综上所述，这项研究通过三维VOF模拟，系统地分析了在具有环向脊线的凸形圆柱表面上，具有粘度差异的Janus液滴在冲击时的动力学行为。研究结果表明，粘度差异、曲率和脊线引发的不对称性共同决定了液滴的回缩模式和分离过程。这些发现不仅拓展了对液滴在复杂表面上行为的理解，还为相关工程应用提供了新的设计思路和优化方向。通过揭示这些参数之间的相互作用，研究团队为未来在液滴控制、表面设计和功能材料开发等领域提供了重要的理论依据和实验数据支持。