基于液滴撞击水鸟羽毛表面疏水稳定性的仿生动态疏、脱水及抑冰机制研究

With the background of the anti-icing technology during the process of supercooled droplet impacting on cold surface, the excellent dynamic hydrophobicity, drainage and anti-icing capabilities for aquatic birds, e.g., penguin and kingfisher, are concentrated on. During the process of droplet impacting on inelastic and natural elastic samples of penguin and kingfisher feathers, it is investigated that dynamic characteristics of spreading, retracting and rebounding. It is analyzed that the effects of the droplet dynamic pressure on Cassie-Wenzel wetting status transition on the feather surface, and it is clarified that the effect of the transient wetting status transition on heat transfer and droplet freezing. Finally, it is revealed that the dynamic peculiarities of hydrophobicity, drainage and anti-icing of feathers and biomimetic fiber membranes with different geometrical characteristic parameters

本项目以过冷液滴撞击冷表面抑冰技术为主要应用背景，结合自然界中企鹅、翠鸟等水陆两栖水鸟羽毛优异的动态疏、排水及抑冰特性，针对非弹性及具有自然弹性的羽毛样本，研究液滴冲击羽毛表面时所具有的动态铺展、收缩及回弹动力学特性，分析液滴动压力对羽枝间隙Cassie-Wenzel疏水润湿状态转变的影响规律，阐明该瞬态疏水状态转变过程对羽枝表面热量传递与液滴相变结冰过程的影响机制，最终揭示具有不同几何特征参数的羽枝及仿生纤维类疏水表面所具有的动态疏、排水及相变传热抑冰特性。

本项目围绕液滴冲击水鸟弹性羽枝及弹性疏水表面的疏、排水及接触时间特征开展研究。. 基于OpenFOAM开源计算平台，建立了能够准确预测液滴撞击表面动态铺展、收缩过程的气-液两相流数值计算模型和方法；制备了亲水/超亲水铜基表面，并完成了液滴冲击试验测试；结合试验数据验证了数值算法的准确性，总结了VOF算法中非物理数值震荡对预测液滴冲击表面动态润湿过程的影响。. 完成了翠鸟羽毛微观静态结构扫描及润湿特性分析；开展了非弹性、弹性羽毛动态润湿特性试验研究；建立了液滴冲击弹性表面润湿过程一维流固耦合作用模拟方法，通过模拟分析揭示了轻质弹性羽毛加速液滴回弹过程的特征参数变化规律，阐明了弹性表面加速冲击液滴回弹效果的作用机制。. 设计搭建了轻质弹簧弹性表面系统以及往复振荡表面系统，并完成了液滴冲击等效弹性表面系统的动态润湿特性试验研究；结合试验及数值模拟结果，分析了往复振动系统加速液滴回弹的过程特性，总结了弹性表面系统自身特性参数(固有频率、质量、弹性模量、振幅等)对加速液滴回弹过程的影响规律。. 本项目主要研究了弹性、振动疏水表面弹性特征对液滴冲击接触时间的影响规律，丰富了人工制备弹性疏水表面液滴动态润湿理论，从液滴冲击疏水表面接触时间的角度为疏水表面抑冰应用提供了理论支撑。