跨介質(zhì)飛行器附著水層高效脫附技術(shù)是其技術(shù)鏈中最具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵一環(huán)。飛行器出水時，表面黏附水層會顯著增加出水阻力和負(fù)載。而且，由于水氣介質(zhì)密度驟變，脫附分離的表面附著水層與周圍高壓空氣在飛行器尾部低壓區(qū)混合，形成氣-水兩相混流尾羽流，如遇降雨或水線飛濺，極易影響飛行器力學(xué)平衡，造成失穩(wěn)。
自然界中，翠鳥等生物在漫長的進(jìn)化過程中，具備了在雨中自由飛行、快速捕食及出水等功能（圖1）。早前，吉林大學(xué)任露泉院士團(tuán)隊張成春教授已在界面領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊《Journal of Colloidand Interface Science》（影響因子為7.489）上發(fā)表了題為Non-wet kingfisher flying in the rain: The water-repellent mechanism of elastic feathers的論文，闡釋了翠鳥羽毛彈性如何影響其體表水的脫附行為。
近期，受飛行中的翠鳥不被潤濕且仍能變換任意飛行方向的啟示，張成春教授及鄭益華博士在《ACS Applied Materials& Interfaces》（界面領(lǐng)域TOP期刊，中科院一區(qū)，影響因子為8.456）上在線發(fā)表了題為Non-wet kingfisher flyingin the rain: The tumble of droplets on moving oriented anisotropic superhydrophobic substrate的論文。該研究從液滴動力學(xué)的角度，定量地揭示了方向性移動的各向異性超疏水界面上的動態(tài)去潤濕機(jī)理，為跨介質(zhì)飛行器高效脫附、提高出水性能奠定了仿生理論基礎(chǔ)。
該原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)屬于“雨中飛行的非潤濕翠鳥(non-wet kingfisher flying in the rain)”系列研究的進(jìn)一步延續(xù)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，連續(xù)性液滴撞擊在移動狀態(tài)下的翠鳥體表后能產(chǎn)生與速度矢量方向相關(guān)的飛濺行為，期間翠鳥始終保持體表非浸潤狀態(tài)（圖2）。
基于液滴動力學(xué)分析結(jié)果表明，具有羽毛仿生結(jié)構(gòu)的移動界面可以誘導(dǎo)液滴的非對稱形貌（圖3），夾角直接影響液滴內(nèi)質(zhì)量的分布形式。
與靜止的傾斜超疏水表面相比，各向異性仿生表面的定向運(yùn)動促進(jìn)了液滴的翻滾，并減少了高達(dá)23%的滯空時間（圖4（a））?；诟褡硬柶澛惴ǖ臄?shù)值模擬結(jié)果表明，移動表面上液滴產(chǎn)生定向彈跳的根本原因是液滴在后退階段去“釘扎”矢量發(fā)生了單側(cè)方向性突變，且該類突變的程度與夾角正相關(guān)，表面得以有效地避免了同一區(qū)域的連續(xù)性潤濕（圖4（b））。因此，在雨中飛行的翠鳥體表上存在不同程度的液滴定向飛濺現(xiàn)象，且能維持體表非浸潤功能。
在室內(nèi)定量模擬降水試驗(yàn)系統(tǒng)中，多液滴連續(xù)沖擊飛行器超疏水表面后同樣會發(fā)生次級液滴群發(fā)生定向翻滾、彈跳現(xiàn)象（圖5），其降水沖擊荷載降低87.5%，超疏水表面飛行器幾乎不受降水的負(fù)面影響。
數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，在具有超疏水表面的跨介質(zhì)飛行器模型上，運(yùn)動可誘導(dǎo)類似的液滴群定向彈離行為。如圖6所示，通過追蹤9個液滴內(nèi)部199個粒的跡線表明，具有超疏水表面的飛行器運(yùn)動行為可誘導(dǎo)多液滴定向（向后）彈跳，彈跳方向與飛行器運(yùn)動方向相反，這使得固液分離進(jìn)程加快，液滴在沖擊移動超疏水表面后的跡線呈拋物線狀并產(chǎn)生規(guī)律性定向彈跳，而表面曲率的差異化導(dǎo)致液滴的彈跳方向呈現(xiàn)多樣化。
超疏水表面對液滴粘附效應(yīng)極低，高動能次級液滴群在飛行器表面上發(fā)生向后定向運(yùn)動行為，使得次級液滴群（尾羽流）的重心整體向后偏移，與親水表面相比，運(yùn)動中飛行器的超疏水表面上的次級液滴群可持續(xù)保持高動能，維持定向彈跳能力，并以此有效避免同區(qū)域反復(fù)潤濕（見圖7右梯形區(qū)域），此種次級液滴群的定向運(yùn)動行為與圖4中的試驗(yàn)結(jié)果相似。
利用移動各向異性超疏水表面誘導(dǎo)液滴定向翻滾促使水體從移動中的表面上剝離，對突破跨介質(zhì)飛行器在飛行及出水時表面附著水、尾羽流等引起的一系列技術(shù)難題，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。
該課題得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、軍委科技委主題項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項(xiàng)目的資助和支持。該論文第一作者為鄭益華博士，通訊作者為張成春教授。
通訊作者簡介：張成春，工學(xué)博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，清華大學(xué)與鄭州宇通客車股份有限公司企業(yè)聯(lián)合博士后，英國帝國理工學(xué)院訪問學(xué)者，國際仿生學(xué)會創(chuàng)始會員，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會材料與制造分會委員。主要從事海空裝備仿生基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究，主持包括國家自然科學(xué)基金4項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵問題”項(xiàng)目課題1項(xiàng)、工信部“民機(jī)科研”項(xiàng)目專題1項(xiàng)、軍委科技委主題項(xiàng)目1項(xiàng)在內(nèi)的各類科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，以第一作者或通訊作者在ACS. APPL. MATER. INTER、J. COLLOID INTERF. SCI.、INT. J. THERM. SCI.、J. SOUND VIB.、SOFTMATTER、INT. J. HEAT FLUID FL.、J. BIONICENG. 等期刊發(fā)表SCI/EI檢索論文40余篇，獲得授權(quán)國家發(fā)明專利16件。
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