液滴與固體表面的碰撞現(xiàn)象廣泛存在于自然界和生產(chǎn)生活的多個領(lǐng)域，對人類的生存和發(fā)展具有重要作用。由于液滴在固體表面的碰撞具有時間短、性變大及形式多等特點。在碰撞到固體表面后，液滴往往在數(shù)毫秒內(nèi)發(fā)生極大程度的形變，且碰撞后可能產(chǎn)生直接沉積、回縮及回彈、破裂等多種結(jié)果，極大地增加了液滴碰撞行為的調(diào)控難度，相關(guān)理論與控制規(guī)律亟需發(fā)展和完善。
中科院化學(xué)研究所研發(fā)了一種能夠采用程序化控制的“液滴機(jī)器人”。第一次實現(xiàn)了液滴的切割、移動、釋放和旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜行為。該機(jī)器人由磁場控制系統(tǒng)和兩個不銹鋼組成。通過程序化控制磁場分布，可以改變鋼球的位置和球心距，從而動態(tài)調(diào)節(jié)液滴運(yùn)動時前后端受到的阻力大小，實現(xiàn)液滴的多行為控制。對鋼球進(jìn)行表面處理，調(diào)節(jié)其表面能，可用于多種類流體系統(tǒng)的操控。
什么是液滴
細(xì)小液體粒子，靜止條件下可沉降，在紊流條件下能保持懸浮狀態(tài)的細(xì)小液體粒子，主要粒徑范圍在200μm以下。
液滴的用途
工程上利用攪拌槳、噴嘴或小孔等構(gòu)件，將液體分散到氣體或另一種與其不相混溶的液體中所形成的液體狀態(tài)。這時分散成液滴的液體為分散相，氣體或另一種液體為連續(xù)相。此外，液膜亦可能破裂成液滴。作為分散相的液體與連續(xù)相流體一起運(yùn)動，組成化工生產(chǎn)中常見的液液或氣液兩相流。如燃料油燃燒時，首先被分散成液滴與空氣進(jìn)行混合;在某一液體與另流體之間進(jìn)行直接換熱和傳質(zhì)(如萃取)或化學(xué)反應(yīng)(如聚合)時，常使液體分散在另流體中而形成兩相流。一相被高度分散，能使兩相之間的接觸面積大為增加，因而可使過程速度加快。例如噴霧干燥中，如果使1m3液體經(jīng)噴嘴分散成約2×1012個均勻的直徑為100μm的液滴，總表面積約達(dá)60000m2。這種巨大的表面積可使液滴中的水分汽化大大加速。液滴因大小和形狀不同，有著不同的行為和運(yùn)動規(guī)律。
液體的力學(xué)行為
1、內(nèi)循環(huán)
液滴運(yùn)動時，在液滴與連續(xù)相界面因兩相之間摩擦而產(chǎn)生剪切力。受此力的作用，滴內(nèi)液體發(fā)生循環(huán)流動，稱為滴內(nèi)循環(huán)。在雷諾數(shù)達(dá)到一定值時滴內(nèi)循環(huán)才開始出現(xiàn)，例如含40%丁醇的液滴在水中沉降，當(dāng)Re>70時才發(fā)生環(huán)流，環(huán)流的速度與液滴直徑和連續(xù)相的粘度成正比，與滴內(nèi)液體粘度成反比。滴內(nèi)循環(huán)也有層流和湍流，在后一狀態(tài)下將造成激烈的滴內(nèi)混合。
2、變形和振動
小液滴為球形，較大的液滴會變形而偏離球形。變形的基本原因是液滴表面的壓力分布不均勻。從繞過圓柱的流動特性(見邊界層)可知，柱體表面上各點的壓力因距離駐點的位置而不同，連續(xù)相對液滴的繞流也有類似情況。表面張力則阻止液滴變形，力圖使液滴保持球形。推動變形的力與液滴直徑的平方成正比，而阻礙變形的力僅與直徑成正比，所以隨著液滴的增大，終將發(fā)生液滴的變形。
3、分裂和合并
包含液滴的兩相系統(tǒng)經(jīng)常處在湍流狀態(tài)，湍流由各種大小不同的旋渦組成，這些旋渦各有變化著的脈動速度。如果在相當(dāng)于液滴尺寸的長度上存在著較小尺度的旋渦，則將造成系統(tǒng)中各點速度顯著不同，亦即液滴表面的不同部位作用著不同的動壓頭，當(dāng)它超過與之抗衡的表面張力時，液滴就會破裂。連續(xù)相中有許多液滴時，液滴會互相碰撞。大多數(shù)液滴碰撞后彼此彈回，只有小部分合并。這是由于液滴通常被一層連續(xù)相膜包圍著，這層膜起了緩沖作用。兩液滴互相趨近時，膜因受擠，減薄而破裂，兩液滴才能迅速融合而合并。當(dāng)分散相(液滴)含量低時，合并現(xiàn)象可以忽略;當(dāng)分散相含量高時，分裂和合并決定著液滴的大小分布，從而控制兩相間接觸界面面積的大小。
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