清华航院陈民研讨组提出纳米液滴磕碰破碎临界
来源:女友网 发表于2019-07-10 19:47:26 编辑:李荣浩
摘要: 3月13日电 了解纳米液滴在与固体外表磕碰进程中的动力学行为是开展纳米喷墨、涂覆及纳米级3D打印技能中的一个关键问题。近来,清华大学航天航空学院

  3月13日电 了解纳米液滴在与固体外表磕碰进程中的动力学行为是开展纳米喷墨、涂覆及纳米级3D打印技能中的一个关键问题。近来,清华大学航天航空学院陈民教授研讨组使用分子动力学模仿的办法,在纳米标准调查并剖析了液滴在与固体壁面磕碰中的系列动力学行为,研讨批改了前人对液滴变形的估量,并初次提出纳米液滴破碎的理论模型。相关研讨成果以《纳米液滴在固体壁面磕碰的铺展与破碎》( Spreading and breakup of nanodroplet impinging on surface )为题,宣布在日前出书的《流体物理》(Physics of Fluids)期刊上。

  

  此项作业被美国物理学会(American Institute of Physics),每日科学(ScienceDaily),亚洲科学家(AsianScientist),物理安排(PHYS ORG),3D打印(3DPRINT.com)等科技网站专题报道,被点评为: 协助了解了纳米液滴的破碎机理 将促进3D打印技能的开展 。

  图1.上图展现了初始直径为8.6nm的液滴在壁面磕碰破碎进程中随时刻的演化。

  判别一个液滴与固体外表磕碰后是否破碎关于打印、涂覆中的参数规划至关重要。微观条件下的试验标明,液滴磕碰固体外表后是否破碎与初始液滴巨细以及磕碰速度有着很强的相关性,由试验总结得到的规则已经在相关技能中被广泛应用。但是,微观试验的规则在纳米标准是否依然适用还不清楚。陈民研讨组研讨了初始直径在几纳米到数十纳米的液滴磕碰在平坦刚性壁面上的铺展进程以及破碎机制。

  图2.两种水滴破碎的形式:(a~(c)的破碎由水滴内部的失稳诱发;(i)~(iii)的破碎由水滴鸿沟的失稳诱发。下标表明了自磕碰开端演化至对应时刻所需的时刻。

  在液滴的铺展变形进程中,研讨人员经过引入流场速度梯度在径向的线性散布,批改了对液滴变形进程中的粘性耗散估量。结合对外表自由能的批改,研讨人员开展了对液滴最大铺展半径的估量式。与前人文献给出的估量式比较,此成果有效地减小了估量成果与模仿成果的相对误差。研讨人员在模仿中调查到了两种不同的破碎形式:一种来源于液滴铺展进程中的鸿沟失稳,另一种来源于液滴铺展所构成的液膜内部失稳。针对纳米液滴的磕碰,因为液滴具有极大的比外表积,液滴外表的行为愈加重要。研讨人员经过对液膜外表的稳定性剖析提出一个新的理论模型来猜测纳米液滴破碎的发作。理论猜测成果与模仿成果十分符合。?

  图3.(a)液膜振荡的理论模型与模仿剖面图的比照;(b)理论得到的破碎的临界判据(红线)与模仿成果的比照。

  此纳米液滴磕碰的理论模型可以协助了解液滴在磕碰进程中的能量转化与变形规则,关于纳米涂覆、喷墨打印、3D打印都具有重要意义。此外,飞机机翼结冰是形成空难的重要原因之一,而20~50微米直径的过冷水滴在飞机外表的磕碰与堆积是机翼结冰的主要原因。此纳米标准的模型可以协助人们了解当液滴尺度减小后其行为与微观情况下的不同,关于飞机防冰相关研讨也有活跃的协助。

  2019级钱学森力学班的本科生李步选同学为该论文的榜首作者,这已经是该研讨组以钱学森力学班的本科生做为榜首作者在《流体物理》(Physics of Fluids)上宣布的第二篇论文(首篇的榜首作者李新浩同学,Physics of Fluids,vol.27,052007, 2019)。本项作业得到国家973方案、国家自然科学基金以及清华大学本科生学术推动方案的支撑。分子动力学模仿在清华大学信息科学与技能国家试验室的超算平台上完结。

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