液体黏性在固体表面上液滴对撞击中的关键作用及其对喷雾技术的启示

《Journal of Fluid Mechanics》：On the role of liquid viscosity during droplet-pair impacts on solid surfaces

本研究通过同步高速成像和定量分析，系统探究了液体黏性对液滴对（同时与非同时）撞击固体基板时液膜铺展、相互作用驱动的中夹液片演化等流体动力学行为的影响。研究发现，黏度增加导致液膜前缘增厚、铺展范围减小、中夹液片最大高度降低，液片形态从“半月形”转变为短暂的液滴状凸起，并伴随毛细波抑制和边缘不稳定性减弱。研究首次提出了适用于不同黏度和撞击条件下的中夹液片最大伸展尺度律，深化了对液滴对撞击中黏性与惯性力相互作用的理解，为优化喷涂技术和多相流体系统提供了重要见解。

　　

在日常生活中，从喷墨打印到农药喷洒，从3D打印到喷涂涂层，无数工业和科学应用都涉及液滴撞击固体表面的现象。当单个液滴以足够高的动能撞击基板时，其诱导的液体流动可能会因内部和前进接触线处的黏性耗散而受到阻力。然而，实际应用中的喷涂过程往往涉及多个相邻液滴的撞击，其动力学比单液滴撞击更为复杂。特别是，当两个液滴几乎同时或以微小时间差撞击彼此靠近的位置时，它们铺展形成的液膜会发生相互作用，可能沿着碰撞面向上涌起，形成独特的中夹液片结构。这种相互作用如何被液体的“黏稠度”——即黏性——所影响，此前尚不明确。理解液体黏性在多液滴撞击结果中的作用，对于优化和控制广泛的喷涂基技术至关重要。

为了探究这一问题，研究人员在《Journal of Fluid Mechanics》上发表了一项研究，题为“On the role of liquid viscosity during droplet-pair impacts on solid surfaces”。该研究首次系统揭示了液体黏性对液滴对（包括同时撞击和非同时撞击）撞击固体基板流体动力学的影响。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：

1. 1.
   实验系统与液滴生成：使用定制的、基于微控制器的液滴发生器，精确释放同时和非同时的甘油-水混合液滴对，可控参数包括液滴间距（Δx）和时间差（Δt）。
2. 2.
   高速成像与同步记录：采用两台同步高速相机，分别从正面和侧面视角记录撞击事件，成像速率高达9000帧/秒，确保了时间分辨率的观测。
3. 3.
   液体样本制备与表征：通过改变甘油体积分数（φ_g，从0%到80%），制备了一系列黏度（μ，1.01至91.46 mPa·s，对应奥内佐格数Ohnesorge number, Oh为0.002–0.177）不同但表面张力和密度近乎恒定的甘油-水混合液。使用接触角测角仪测量了这些液体在丙烯酸（PMMA）光滑基板上的静态、前进和后退接触角。
4. 4.
   图像分析与定量提取：开发了定制的MATLAB图像分析程序，从记录的高速图像序列中提取液滴初始直径（D₀）、撞击速度（V₀）、间距（Δx）等撞击参数，以及撞击后液膜铺展半径、中夹液片高度和宽度的时空演化数据。所有实验条件均至少重复三次，报告数据为重复实验的平均值。

研究结果

3.1 撞击形态学

在固定的韦伯数（We≈ 130）和液滴间距（Δx* = Δx/D₀≈ 1.80）下，比较了不同黏度液滴对的撞击形态。对于低黏度液体（如水），液膜相互作用产生一个边缘清晰的“半月形”中夹液片。随着液体黏度（及Oh数）增加，中夹液片的尺寸减小，耗散更快。当甘油体积分数达到70%和80%（高Oh数）时，“半月形”结构消失，取而代之的是类似于两个液滴低速撞击合并时形成的、短暂存在的液体凸起。黏度增加还抑制了毛细波和液片边缘的不稳定性。

3.2 液膜铺展行为

定量分析了液膜铺展动力学。随着黏度增加，液膜的最大铺展因子（最大铺展直径与初始液滴直径之比）减小。液膜前缘也因黏性耗散而变得更厚。将实验结果与现有的考虑黏性耗散的单液滴铺展理论模型进行了比较。

3.3 中夹上涌液片动力学

重点分析了由液膜相互作用驱动的中夹液片的演化。研究发现：

• •
  黏度增加导致中夹液片的最大无量纲高度降低。
• •
  中夹液片的形态随黏度发生转变，从清晰、持久的“半月形”片状结构变为短暂、凸起的“液包”状结构。
• •
  研究推导了一个关于中夹液片最大伸展（宽度）的新尺度律，该尺度律证明对于不同黏度和撞击条件下的液滴对（包括同时和非同时撞击）均具有鲁棒适用性。这个尺度律与液膜首次相互作用时的速度和厚度相关的液膜-液膜撞击韦伯数（We_ll）的平方根相关。

3.4 非同时撞击的铺展行为和液片动力学

研究了存在时间差（Δt > 0）的非同时撞击。由于先撞击液滴的液膜获得了更长的铺展时间，后撞击液滴的液膜与之相互作用时，两者的动量贡献不相等，导致形成倾斜的中夹液片。与同时撞击类似，黏度增加同样抑制了非同时撞击中夹液片的生长和演化。研究比较了非同时与同时撞击的形态差异，指出其主要由液膜-液膜相互作用和动量传递动力学所控制。

结论与意义

本研究的核心结论是，液体黏性在液滴对撞击固体表面的流体动力学中扮演着至关重要的角色。增加黏性会显著改变液膜铺展行为、中夹相互作用液片的形态和演化动力学。具体表现为：导致更厚的液膜前缘、更小的铺展范围、更低的中夹液片高度，并使液片形态从“半月形”向短暂“液包”转变，同时抑制毛细波和边缘不稳定性。

本研究的意义在于：

1. 1.
   理论贡献：首次系统阐明了黏性对液滴对撞击动力学的影响，填补了该领域的知识空白。提出的关于中夹液片最大伸展的新尺度律，为理解和预测多液滴撞击中的复杂界面现象提供了定量工具。
2. 2.
   应用价值：研究结果对众多依赖喷雾技术的工业和科学领域具有直接指导意义。例如，在喷墨打印中，可通过调控墨水黏性来控制液滴间的融合与图案质量；在喷涂/涂层工艺中，可优化液滴参数以获得均匀的膜层；在农药喷洒中，有助于理解并控制药液在叶片上的沉积和覆盖效率。通过理解黏性与惯性力的相互作用，可以更好地优化这些涉及多相流体系统的应用。
3. 3.
   未来方向：本研究揭示了液膜相互作用区域的复杂流场特性，为未来采用微粒子图像测速（μPIV）等先进技术深入探测该区域流动细节指明了方向。研究也为探索更复杂的多液滴阵列或喷雾撞击的集体行为奠定了基础。

总之，这项研究深化了我们对多液滴撞击这一普遍物理现象的理解，架起了基础流体力学与实际工程应用之间的桥梁，为相关技术的精准设计与性能提升提供了重要的科学依据。