乙醇液滴在超冷表面的动态行为：从铺展到飞溅的界面现象研究

这篇研究通过系统实验揭示了乙醇液滴在超冷亲水表面（-35?°C至-20?°C）的冲击动力学，发现冲击高度（10-40?cm）和表面温度共同调控铺展（Spreading）、指状分裂（Fingering）和飞溅（Splashing）的形态转变。作者创新性地结合温度修正的韦伯数（We）、雷诺数（Re）与佩克莱特数（Pe），提出了适用于挥发性流体的低温冲击判据，为航空航天燃料雾化、低温喷雾冷却等应用提供了理论工具。

　　

研究亮点

本研究揭示了乙醇液滴在超冷表面的独特行为：随着冲击高度增加（10-40?cm）和表面温度降低（-15?°C至-35?°C），液滴会经历从优雅铺展到剧烈飞溅的转变，而指状分裂（Fingering）常作为中间态出现。通过引入温度依赖的流体参数，我们重新定义了韦伯数（We^temp）、雷诺数（Re^temp）和佩克莱特数（Pe），构建了首个整合热传导与挥发效应的冲击判据模型。

实验方法

实验采用定制化低温控制系统，通过热电冷却装置生成-35?°C至-20?°C的硅基亲水表面，并以高速摄像机（10万帧/秒）捕捉液滴行为。每个乙醇液滴（直径2.1±0.1?mm）的冲击动力学被量化分析，重点解析了接触线冷却引发的马兰戈尼流（Marangoni flow）对指状结构的促进作用。

结果与讨论

在-35?°C表面，低冲击高度（10?cm）下液滴呈现完美铺展（Regime I-1），而-20?°C时40?cm高度冲击会触发冠状飞溅（Regime II）。有趣的是，中间条件（如-30?°C, 20?cm）会产生"向日葵状"指状分裂（Regime I-2），这是蒸发冷却导致液膜边缘局部粘度突变的直接证据。经典模型（如K_splash=We^0.5Re^0.25）在此体系预测偏差达32%，而新提出的We^temp-Pe耦合判据将误差降至8%。

结论

该研究不仅为挥发性流体低温冲击提供了首个整合热-流耦合的预测框架，更揭示了马兰戈尼效应（Marangoni effect）在低温界面不稳定性中的关键作用。这对航空发动机冷启动燃料雾化、极地设备防冰涂层设计等应用具有直接指导意义。

（注：翻译时对部分长句进行了分拆重组，保留"Regime I-1"等原文标识，关键术语如Marangoni effect采用中英对照，并运用"向日葵状"等形象化表述增强可读性。）