华电博士生提出识别撞击纳米液滴主导作用力的无量纲准则数

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近日，我校吴仲华学院博士生王一峰在Journal of Fluid Mechanics上发表学术论文“Scaling laws of the maximum spreading factor for impact of nanodroplets on solid surfaces”。Journal of Fluid Mechanics由英国剑桥大学创办，被公认为流体力学领域最权威的期刊。这是我校首次作为第一单位在该期刊上发表论文，相关工作受到国家自然科学基金国家重点项目（51936004）和国家自然科学基金创新研究群体项目（51821004）的资助。

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理解纳米液滴撞击固体表面的动力学机理与规律是发展纳米涂覆、纳米3D打印、纳米生物打印及高熵合金制备等新兴技术的重要基础。目前学界已形成共识，由于尺度降低，纳米液滴显现出与毫米液滴截然不同的动力学特性。然而当前对撞击液滴尺度效应的内涵及其定量表征方法依然认识模糊。该论文以纳米液滴撞击固体表面的关键动力学参数最大铺展因子为切入点，利用分子动力学模拟获得基础数据，在最大铺展因子理论建模时摒弃了基于能量平衡的传统建模思路，换之寻找撞击纳米液滴铺展的自相似行为。基于对撞击纳米液滴形貌演化特性的分析，发现在跨越亲水到疏水的一系列固体表面上，液滴在低撞击速度下均可视为“赫兹球”，在高撞击速度下均可视为“薄圆柱液膜”。进一步分析发现，在“赫兹球”区域，撞击纳米液滴的粘性力可忽略（毛细区），然而在“薄圆柱液膜”区域，粘性力作用凸显（毛细区转变为过渡区）。基于上述发现，提出在低速区和高速区可分别采用“赫兹球”和“薄圆柱液膜”的接触时间作为特征时间，并结合最大铺展时间的动力学近似，证实了撞击纳米液滴铺展的自相似行为，由此获得了最大铺展因子在毛细区的标度率：βmax~We1/5（We为韦伯数，表征了惯性力和毛细力的比率），以及在过渡区的标度率：βmax~We2/3Re−1/3（Re为雷诺数，表征了惯性力和粘性力的比率）。借助于两个区域最大铺展因子的标度率，提出了适用于纳米尺度撞击液滴的无量纲撞击参数Q="We3/10Oh1/3。该参数可以用来确定纳米液滴撞击固体表面的动力学行为是否需要考虑粘性力的作用，为后续研究提供了主导作用力的判断准则。论文成果极大推动了对纳米液滴撞击固体表面尺度效应的认识。

论文第一作者王一峰是我校吴仲华学院的首批本科生，现为吴仲华学院博士生，通讯作者为王晓东教授。吴仲华学院由我校和中国科学院工程热物理研究所联合创办，以我国著名工程热物理学家、中国科学院学部委员（院士）、中国科学院工程热物理研究所创办人、工程热物理学科奠基人吴仲华先生的名字命名，于2018年9月29日在我校正式揭牌成立。作为我校拔尖创新人才培养特区的试点学院，吴仲华学院的成立是我校构建多元化人才培养体系的重要举措。学院成立以来，在课程体系、本硕博一体化、教师选拔、本科生导师制、本科创新课题、吴仲华讲坛、国际化、小班研讨、荣誉教育等方面开展了一系列改革。该成果的发表标志着我校在创新人才培养方面取得了显著成效。

个人简介

王一峰，男，1999年出生，2017年考入华北电力大学能动1711班学习。大二通过选拔进入吴仲华1701班后，一直跟随华北电力大学工程热物理中心王晓东教授课题组进行科研训练。本科毕业后直博华北电力大学，目前是在读博士一年级研究生。

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素材来源丨能源动力与机械工程学院

编辑丨文博正

初审丨董艺双

复审丨刘馨浓

审核丨卜叶蕾 王晓东 张永生

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