中科院化学所研发“液滴机器人” 可用于多种类流体系统的操控

三百多年前，牛顿基于大量碰撞实验研究，提出了的牛顿碰撞定律。两个相互碰撞的物体，碰撞后的脱离速度与碰撞前的靠近速度之比称为恢复系数。对于完全弹性碰撞来说，恢复系数为1，但这种情况只会出现在理想情况中;对于完全非弹性碰撞来说，恢复系数为0。真实的碰撞过程，恢复系数大部分介于0和1之间。也就是说，碰撞前后改变的是物体的速度大小和方向，很难改变物体的运动形态。

液滴与固体表面的碰撞现象广泛存在于自然界和生产生活的多个领域，对人类的生存和发展具有重要作用。由于液滴在固体表面的碰撞具有时间短、性变大及形式多等特点。在碰撞到固体表面后，液滴往往在数毫秒内发生极大程度的形变，且碰撞后可能产生直接沉积、回缩及回弹、破裂等多种结果，极大地增加了液滴碰撞行为的调控难度，相关理论与控制规律亟需发展和完善。

中科院化学研究所研发了一种能够采用程序化控制的“液滴机器人”。次实现了液滴的切割、移动、释放和旋转等复杂行为。该机器人由磁场控制系统和两个不锈钢组成。通过程序化控制磁场分布，可以改变钢球的位置和球心距，从而动态调节液滴运动时前后端受到的阻力大小，实现液滴的多行为控制。对钢球进行表面处理，调节其表面能，可用于多种类流体系统的操控。

什么是液滴

细小液体粒子，静止条件下可沉降，在紊流条件下能保持悬浮状态的细小液体粒子，主要粒径范围在200μm以下。

液滴的用途

工程上利用搅拌桨、喷嘴或小孔等构件，将液体分散到气体或另一种与其不相混溶的液体中所形成的液体状态。这时分散成液滴的液体为分散相，气体或另一种液体为连续相。此外，液膜亦可能破裂成液滴。作为分散相的液体与连续相流体一起运动，组成化工生产中常见的液液或气液两相流。如燃料油燃烧时，首先被分散成液滴与空气进行混合;在某一液体与另流体之间进行直接换热和传质(如萃取)或化学反应(如聚合)时，常使液体分散在另流体中而形成两相流。一相被高度分散，能使两相之间的接触面积大为增加，因而可使过程速度加快。例如喷雾干燥中，如果使1m3液体经喷嘴分散成约2×1012个均匀的直径为100μm的液滴，总表面积约达60000m2。这种巨大的表面积可使液滴中的水分汽化大大加速。液滴因大小和形状不同，有着不同的行为和运动规律。

液体的力学行为

1、内循环

液滴运动时，在液滴与连续相界面因两相之间摩擦而产生剪切力。受此力的作用，滴内液体发生循环流动，称为滴内循环。在雷诺数达到一定值时滴内循环才开始出现，例如含40%丁醇的液滴在水中沉降，当Re>70时才发生环流，环流的速度与液滴直径和连续相的粘度成正比，与滴内液体粘度成反比。滴内循环也有层流和湍流，在后一状态下将造成激烈的滴内混合。

2、变形和振动

小液滴为球形，较大的液滴会变形而偏离球形。变形的基本原因是液滴表面的压力分布不均匀。从绕过圆柱的流动特性(见边界层)可知，柱体表面上各点的压力因距离驻点的位置而不同，连续相对液滴的绕流也有类似情况。表面张力则阻止液滴变形，力图使液滴保持球形。推动变形的力与液滴直径的平方成正比，而阻碍变形的力仅与直径成正比，所以随着液滴的增大，终将发生液滴的变形。

3、分裂和合并

包含液滴的两相系统经常处在湍流状态，湍流由各种大小不同的旋涡组成，这些旋涡各有变化着的脉动速度。如果在相当于液滴尺寸的长度上存在着较小尺度的旋涡，则将造成系统中各点速度显著不同，亦即液滴表面的不同部位作用着不同的动压头，当它超过与之抗衡的表面张力时，液滴就会破裂。连续相中有许多液滴时，液滴会互相碰撞。大多数液滴碰撞后彼此弹回，只有小部分合并。这是由于液滴通常被一层连续相膜包围着，这层膜起了缓冲作用。两液滴互相趋近时，膜因受挤，减薄而破裂，两液滴才能迅速融合而合并。当分散相(液滴)含量低时，合并现象可以忽略;当分散相含量高时，分裂和合并决定着液滴的大小分布，从而控制两相间接触界面面积的大小。

新闻来源：中科院、百度