防止挡风玻璃结冰！研究发现热传导对液滴动力学很重要

据外媒报道，在雨中开车时，雨滴最好是从挡风玻璃上滚落或弹出去，而不是挡在挡风玻璃上，甚至结冰。圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院（School of Engineering at Washington University in St. Louis）的研究团队发现，在拒水光滑表面的液滴动力学中，热传导所起的作用比之前认为的要大。

（图片来源：wustl）

该校机械工程与材料科学助理教授Patricia Weisensee等人利用高速成像方法，微观捕获并研究水滴撞击加热、光滑、防水表面时所形成的气泡，从而得出这一结果。该气泡只有几百微米大小，当其从表面升起时，会吸收下面的空气，从而在水滴中形成。Weisensee表示：“研究人员在液滴上制造毛细波，因为液滴在碰撞时会压缩，然后通过液滴发出冲击波，从而产生一个中间夹着气泡的甜甜圈状液滴。”

研究人员在三种加热表面上测试水滴，如聚四氟乙烯，以及两种具有类似表面化学性质的材料，包括生物相容性材料PDMS和疏水性硅烷基单层涂层HTMS。通过同步高速光学和高速红外成像发现，从光滑表面传递到水滴的热量，随着扩散速度的增加而提升。此外，随着表面温度的升高，气泡的大小和形状也发生了变化。

有趣的是，在液滴回缩过程中，由于气泡减小了液固界面总面积，在50C和65C的表面温度下，液滴总传热分别降低了5.6%和7.1%。总体而言，整个过程只持续几毫秒，但对这些系统的冷却效率和液滴动态产生了深远的影响。Weisensee表示：“研究人员发现，在液滴撞击对流或蒸发过程中，热传导是最突出的热传递形式。”

此外，研究人员还在粗糙表面上测试了液滴。由于摩擦力提升，液滴的扩散面积变小，传热面积也更小，因此传热速率降低，这最终会降低例如喷雾冷却过程的效率。

“这项特定研究使用了加热表面。然而，所得出的研究结果，对其他有液滴撞击表面的系统也会产生影响，如挡风玻璃、飞机机翼或风力涡轮机叶片。例如，在寒冷环境中，用户不希望液滴驻留并冻结，所以需要了解液滴动力学和热传递的相互作用。”