超疏水表面液滴的振动特性及其与液滴体积的关系*

王凯宇 庞祥龙 李晓光

(西北工业大学物理科学与技术学院, 西安 710129)

超疏水表面液滴的振动特性与接触线的移动、液滴体积、基底振幅等因素密切相关.本文在基底振幅较小且恒定的条件下, 研究了超疏水表面液滴的共振振幅、模式区间、共振频率等振动特性及其与液滴体积(20—500 µL)的关系.此外, 将基于一般性疏水表面建立的Noblin 共振频率计算模型应用于超疏水表面, 并提出“虚驻点”的概念, 借此对模型进行了误差分析和修正.研究表明: 1)共振时, 液滴高度变化率即比振幅随体积增大而增大, 随阶数增大而减小; 2)各模式区间的起止频率首尾相接, 其范围随体积增大而减小; 3)液滴体积越大, 共振频率越小, 随着阶数增大, 共振频率f 与体积V 的关系趋于f -V–0.4, 不同于一般性疏水表面上的f -V–0.5; 4)直接应用Noblin 模型计算共振频率会产生较大误差, 主要原因在于液滴表面波波段数量统计存在较大偏差, 而修正后的模型可以准确计算超疏水表面大体积液滴的共振频率.

1 引 言

液滴振动是一种常见且容易调控的动态行为,在液滴雾化[1]、微流控制[2]、物质结晶[3,4]等诸多领域发挥着重要作用.此外, 利用液滴振动, 还可以实现平衡态接触角、表面张力、粘度等物理量的测量[5−9], 促进内部物质混合[10−13], 增大细胞球尺寸[14], 等等.

对液滴振动物理特性的研究由来己久.早在1879 年, Rayleigh[15]就从理论上研究了非黏性自由液滴的振动.此后, 人们逐步研究了自由液滴[16],以及亲水、一般性疏水[3−5,17−27]和超疏水表面……