液滴撞擊疏水/超疏水表面防結冰技術研究進展及未來展望

高淑蓉，金佳鑫，魏博建，王曉東

（1華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京 102206；2華北電力大學工程熱物理研究中心，北京 102206）

引 言

結冰是液滴在固體表面上發生過冷和形成冰晶并生長的液固相變過程[1-4]。液滴在表面的結冰可分為固著液滴結冰和撞擊液滴結冰。相比于固著液滴結冰，撞擊會誘發表面產生更多的成核點使液滴更容易結冰[5]。抑制撞擊液滴的結冰在能源動力、航空航天、交通運輸、電力通信等領域具有非常重要的意義（圖1）[6-17]。例如，在航空航天領域，過冷水滴撞擊飛機空速管結冰會導致其測速不準確，使飛行員無法準確獲悉航速信息，引發錯誤操作，導致惡性飛行事故。2018年俄羅斯安148客機就是由于空速管結冰，導致飛機失速墜毀[18]。在電力通信領域，過冷水滴撞擊電纜結冰會對生產和生活構成嚴重危害。2008年我國南方的冰災就是由于凍雨撞擊到通信電纜上形成堅實的冰層導致線路損壞中斷，造成我國經濟損失1516.5億元[19]。本文主要關注撞擊液滴的結冰問題。

圖1 撞擊液滴結冰廣泛存在于航空航天、交通運輸、電力通信等領域Fig.1 Impingement droplet icing is widely used in aerospace,transportation,electric power communication and other fields

傳統的防/除冰技術主要包括氣熱防冰、電熱防冰、液體防冰以及機械除冰等，這些技術具有顯著防/除冰效果，但存在能源消耗大、防冰時間有限以及除冰不徹底等問題[20]。因此，尋求經濟、高效并能從源頭上抑制結冰的新方法是結冰領域的重要研究方向。受荷葉葉面和水黽等動物肢體表面神奇疏水性的啟示（圖2），越來越多的國內外研究者開始關注疏水表面在調控液滴運動、延緩或減弱壁面結冰等防結冰領域的應用[21-23]。目前常用的疏水表面防/除冰方法的機理是采用疏水表面增加冰晶成核勢壘，延長冰晶成核時間[22]；或者降低冰晶與表面的黏附力，使冰層容易去除[23]。然而，上述方法只是增加了結冰時間或使結冰更容易去除，并沒有從源頭上抑制結冰。

圖2 荷葉表面微結構(a)；水黽微結構(b)；微納結構(c)Fig.2 Surface microstructure of lotusleaf(a);Water strider microstructures(b);Micro-nano structure(c)

過去研究發現，液滴撞擊超疏水表面后會從表面彈離，這種彈離現象即便在一個非常小的撞擊速度下也會發生（如速度為0.11 m/s，Weber數為0.07）[24]。這一發現為從源頭上解決撞擊液滴的結冰問題提供了思路和理論基礎，即利用超疏水表面使撞擊液滴在結冰前彈離表面，從而實現抑制結冰的目的。

本文將基于液滴撞擊冷表面的結冰問題，分別從動力學特性、結冰特性以及液滴撞擊冷表面的理論建模等方面的研究現狀進行闡述，并對目前關于撞擊液滴結冰中存在的一些問題進行分析。然后，基于撞擊液滴的反彈特性可從源頭上抑制結冰這種思路，提出降低接觸時間、增加成核再輝時間的新方法。最后，對利用液滴的反彈特性進行抑制結冰的研究進行展望。

1 液滴撞擊疏水/超疏水冷表面結冰的研究進展

液滴撞擊冷表面后，會經歷鋪展、回縮、黏附或者反彈等動力學過程。由于液滴與冷表面存在溫差，在撞擊過程中液滴同時會與冷表面進行熱量交換，液滴溫度降低。如圖3(c)所示，液滴從初始溫度降低到成核溫度時，將在表面發生核化產生冰晶，這個過程被稱為成核過程，所用時間被稱為成核時間，成核是液滴結冰過程的控制步驟[2-3]。由于氫鍵網絡的滲透作用[22]，冰晶在液滴內部快速生長放熱，直至液滴溫度上升到凍結溫度，形成固液混合物，這個過程被稱為再輝過程[1-2,25]，所用時間被稱為再輝時間。顯然，液滴撞擊冷表面的動力學過程和結冰過程相互耦合，能否將這兩個過程進行解耦研究主要依賴于成核再輝時間尺度與撞擊時間尺度之間的量級關系。可以設想，對于撞擊液滴在表面發生結冰的情況，當成核再輝過程發生在液滴鋪展階段或者回縮階段時，動力學過程和結冰過程相互耦合相互影響；當成核再輝過程發生在液滴回縮結束以后時，動力學過程和結冰過程可以進行解耦研究（如圖3）。過去一些研究將撞擊液滴結冰過程解耦成動力學過程和結冰過程分別研究。然而，由于撞擊液滴結冰過程的復雜性，液滴撞擊表面結冰的動力學過程和結冰過程的耦合機制及結冰機理有待深入研究。

圖3 液滴撞擊固體表面結冰過程解耦為動力學過程和結冰過程(a)[1]；液滴撞擊固體表面動力學過程(b)；固著液滴的結冰過程，包括液滴過冷、成核、再輝、凍結以及固體冷卻(T0和TF分別表示成核溫度和凍結溫度)(c)[26]Fig.3 The decoupling of the freezing process of the droplet impacting thesolid surface is the dynamic process and the freezing process(a)[1];Kinetic processes of droplets impinging on solid surfaces(b);The freezing processof the stationary droplet,including supercooling of the droplet,nucleation,reglow,freezing and solid cooling(T0 and TF represent nucleation temperature and freezing temperature respectively)(c)[26]

1.1 液滴撞擊冷表面的動力學特性研究

多年來，圍繞液滴撞擊常溫固體表面的動力學特性已持續開展了大量研究[25,27-28]。撞擊液滴主要受到慣性力、毛細力及黏性力的相互作用[29]，為了表征各種作用力的強弱，通常定義Weber數（We=ρD0V02/γ，慣性力與毛細力之比）和Reynolds數（Re=ρD0V0/μ，慣性力與黏性力之比）等無量綱參數來表征撞擊條件。除撞擊條件外，表面浸潤性（或接觸角）也會影響撞擊液滴的動力學過程。因此，對于液滴撞擊常溫表面動力學特性的研究，主要關注Weber數、Reynolds數和表面浸潤性對撞擊規律的影響[30-32]，最終目標是構建撞擊相圖[27]。然而，除撞擊條件和表面浸潤性外，表面過冷度（這里指液滴在相應壓力下凍結溫度與冷表面溫度的差值）也會影響撞擊液滴的動力學特性及產物相[31,33]。例如，當常溫液滴撞擊冷表面時，液滴會與表面進行傳熱，當液滴溫度達到成核溫度時，液滴還會發生結冰現象。此外，與常溫表面相比，過冷液滴撞擊冷表面時能夠形成更多的成核位點，使結冰更容易發生[34-36]。

液滴撞擊冷表面的動力學過程主要包括鋪展過程和回縮過程，為了研究動力學過程和結冰過程的耦合程度，有必要對鋪展過程和回縮過程單獨研究。

1.1.1 液滴撞擊冷表面的鋪展過程 液滴撞擊冷表面后，從接觸表面到鋪展到最大直徑這一過程被稱為鋪展過程，所用的時間被稱為鋪展時間。對于鋪展來說，通常用最大鋪展直徑來定量描述液滴的鋪展程度，其直接影響液滴和表面的接觸換熱面積，決定液滴的溫度變化，進而影響成核發生的時間。當表面溫度降低時，液滴會與表面進行熱量傳遞導致其黏度和表面張力發生改變，作用于液滴上的各種力之間的比率也會隨之發生改變。因此，即使對于相同的撞擊條件和表面浸潤性，液滴在冷表面的鋪展性能也異于常溫表面[37-39]。Maitra等[37]研究發現，當表面過冷度快速下降到-30℃時，液滴在鋪展過程中會發生冷卻，其黏度較室溫提高5倍，最大鋪展直徑較室溫減少25%。此外，與疏水表面相比，液滴撞擊親水表面時鋪展面積較大，傳熱較快，導致靠近冷表面的液膜快速達到成核條件，從而使得液滴撞擊親水表面時更容易結冰。例如，Alizadeh等[38]通過探究液滴撞擊親水表面和疏水表面的動力學行為發現，液滴的最大鋪展直徑隨著表面親水性的增強而增大。與親水表面相比，液滴在（撞擊Weber數138、表面溫度-15℃，表面接觸角145°）撞擊疏水表面時更容易發生反彈現象。

1.1.2 液滴撞擊冷表面的回縮過程 液滴從最大鋪展直徑回縮到與表面接觸直徑保持不變的過程被稱為回縮過程，所用的時間被稱為回縮時間。對于回縮來說，通常用回縮直徑（回縮結束后液滴與表面的接觸直徑）定量描述液滴的回縮程度。當回縮直徑為0時，表示液滴反彈，此時鋪展時間和回縮時間之和被定義為液滴與表面的接觸時間。與常溫表面相比，液滴撞擊冷表面時，其黏性增加，導致液滴回縮減弱，回縮速度降低[33]。研究表明，回縮直徑隨表面溫度的降低而線性增加，當表面溫度降低到一定程度時，回縮直徑等于最大鋪展直徑，即固液界面處液膜的凍結完全抑制了液滴的回縮運動[34]；當表面溫度下降到凍結溫度時，液滴結冰過程會顯著阻礙回縮運動，主要原因是固液黏附增強[40]。除表面溫度外，表面浸潤性對回縮過程也有一定的影響。隨表面疏水性增加，液滴在撞擊過程中動能損耗減小，回縮速率增大，回縮時間減小。這是因為液滴在撞擊過程中能量守恒，如式（1）[41]所示：

式中，ΔEs為液滴的表面能變化量;ΔEk為液滴的動能變化量;W為液滴的能量耗散，其包括黏性耗散、弛豫耗散和接觸線耗散。黏性耗散和弛豫耗散主要與黏度和液滴速度有關[42-43]，而接觸線耗散則與表面浸潤性有關。接觸線耗散如式（2）[44]所示。

式中，γ為氣液表面張力；Dm為最大鋪展直徑；θY,θadv,θrec分別為表觀接觸角、前進接觸角、后退接觸角。由于超疏水表面接觸角很大，余弦值隨角度變化的斜率很小，且接觸角滯后一般不超過5°，式中三個接觸角的余弦值幾乎相等。因此，與親水表面和疏水表面相比，液滴在超疏水表面的接觸線耗散較小，其對應的動能損失也較小。

1.2 液滴撞擊冷表面的結冰特性研究

1.2.1 液滴撞擊冷表面成核 固液界面的非均相成核是引起液滴結冰的主要原因。經典核化理論認為，任何成核的發生都需要克服吉布斯自由能成核勢壘，非均相成核的自由能勢壘可表示為[45]:

式中，γSL為固液界面自由能；TF為液滴凍結溫度；Tinterface為固液界面溫度；HSL為液固相變焓；θc為冰在水平表面的接觸角；f(θc)為表面浸潤性參數。式（3）表明，冰晶成核受表面溫度、表面浸潤性、液滴凍結溫度及表面形貌等多種因素的影響[3]。其中，表面溫度是最重要的影響因素，表面溫度越低，液滴與表面的傳熱速率越快[40,46-47]，成核自由能勢壘越小[48]；接觸角越大，表面浸潤性參數f(θc)值越大，成核自由能勢壘越大，因此，疏水表面不易成核。與親水表面相比，疏水表面還能夠延長撞擊液滴的成核時間，這主要是由于液滴在疏水表面的最大鋪展面積減小，液滴與表面的傳熱面積也減小，從而增加了成核時間。此外，一些疏水表面由于特定的結構具有一定的絕熱性能，即液滴撞擊疏水表面時會在液滴與表面之間截留部分氣膜，這部分氣膜會增大液滴和固體表面之間的傳熱熱阻，從而使熱量傳遞更難進行[49]。除了減少熱量傳遞路徑外，表面浸潤性直接影響液固接觸面積，進而影響成核時間[50]。例如，隨表面浸潤性降低，液固接觸面積減小，換熱速率降低，成核時間延長（圖4）。此外，Schremb等[50]發現液滴撞擊表面產生的納米氣泡提供了成核位點，這些成核位點極大地增加了碰撞的核化率，從而促進液滴的成核。顯然，液滴和表面的傳熱過程及撞擊液滴的動力學過程都會對冰晶成核產生影響。

圖4 液滴在親水和疏水冷表面成核再輝過程中溫度隨時間的變化規律[22]Fig.4 Variation of temperature with time during nucleation and reglow on hydrophilic and hydrophobic cooled surfaces[22]

1.2.2 液滴撞擊冷表面再輝 液滴撞擊冷表面的再輝過程[圖3(c)]可能發生在撞擊液滴的鋪展過程、回縮過程或者回縮結束以后[21,51]，再輝一旦發生，就會影響后續的動力學過程。此外，再輝過程與動力學過程的耦合關系直接決定液滴的結冰模式。例如，當再輝過程發生在液滴鋪展或者回縮階段時，液滴將在表面結冰；而當再輝過程發生在液滴回縮結束以后時，液滴在疏水表面可能發生部分結冰（圖5），也可能發生完全結冰[52]，而在超疏水表面可能不結冰。

圖5 液滴撞擊溫度為-20℃的超疏水表面的凍結過程示意圖[48]Fig.5 Schematic diagramof solidification process of a water droplet impactinga-20℃superhydrophobic surface[48]

總之，成核作為結冰的開始，對液滴的結冰過程有很大的影響。液滴成核后，再輝過程將影響液滴的鋪展和回縮過程，最終決定其結冰特性。再輝過程中，當冰的生長速率大于收縮速率時，凍結模式以冰核為主；反之，凍結模式以冰的生長為主。Sun等[51]發現，在一定的冰晶生長速率下，當成核時間小于鋪展時間時，液滴會凍結成荷包蛋或者盆地狀，其凍結鋪展因子（凍結直徑與最大鋪展直徑之比）為0.85～1；當成核時間大于鋪展時間小于鋪展回縮時間時，液滴會凍結成煎餅狀，凍結鋪展因子為0.5～0.85；當成核時間大于鋪展回縮時間時，液滴在再輝之前就完成了收縮，最終呈半球形，凍結鋪展因子為0.3～0.5。顯然，液滴的結冰特性是撞擊動力學、成核及再輝過程相互耦合相互影響的復雜結果。

1.3 液滴撞擊冷表面結冰耦合的理論研究

對于撞擊液滴，描述其在冷表面結冰的模型主要分為理論模型和數值模型[45,49,51-54]。構建理論模型的目的一方面是獲得液滴撞擊表面發生反彈或者結冰的判據，預測撞擊液滴能否發生結冰；另一方面是基于液滴在結冰的條件下，預測液滴的形狀演化及冰層生長規律。例如，Bahadur等[45]建立了液滴撞擊冷表面的動力學模型、液滴與表面的傳熱模型以及非均相成核模型并將其耦合，最終構建了液滴在表面的接觸半徑（R）、毛細收縮力（Fretraction）隨時間的依變關系，進而判斷液滴能否結冰（圖6），即當R=0，Fretraction>0時，液滴發生反彈；當Fretraction=0，R>0時，液滴發生結冰。構建數值模型的目標則是基于給定的撞擊條件，對動力學過程和結冰過程進行整體模擬，預測撞擊液滴的鋪展、回縮、黏附、反彈或者結冰等過程。例如，Yao等[31]建立了液滴撞擊冷表面的鋪展回縮過程和結冰過程的耦合模型，獲得液滴發生反彈或者黏附與韋伯數和昂色格數之間的依變關系，即液滴撞擊冷表面最終發生反彈或者黏附主要取決于昂色格數的大小，這是由于當撞擊表面溫度過冷時，液滴在表面的鋪展、回縮以及反彈動力學主要受黏性力的影響。

圖6 液滴撞擊冷表面的動力學模型（a）；液滴與表面的傳熱模型（b）；非均相成核模型（c）；液滴在表面的接觸半徑、毛細收縮力隨時間的依變關系[（d）～（f）][45]Fig.6 Kinetic model of droplet impact on cold surface（a）;Droplet and surface heat transfer model（b）;Inhomogeneous nucleation model（c）;The dependence of contact radius and capillary contractile force of droplet on the surface with time[（d）—（f）][45]

以上結冰模型的研究表明，液滴撞擊表面最終能否發生反彈或者結冰與動力學過程和傳熱過程密切相關。液滴撞擊冷表面的結冰過程主要是成核過程、再輝過程和凍結過程的耦合。然而，過去研究者主要關注固著液滴結冰或者撞擊液滴在完全結冰條件下的理論研究以及模型建立，尚未從理論上研究成核再輝時間小于或接近接觸時間時，撞擊液滴發生部分反彈、部分結冰或者完全結冰情況下的理論預測模型。

1.4 撞擊液滴結冰目前存在的問題

基于以上分析可知，撞擊液滴的結冰過程是極其復雜的動力學過程、傳熱過程以及結冰過程的耦合。由于過程的復雜性，目前的研究通常將其解耦成液滴撞擊表面的動力學過程和固著液滴的結冰過程來簡化研究，尚未系統地將動力學過程和結冰過程進行耦合研究來闡明撞擊液滴結冰的機理。

另外，以往對防結冰的研究主要關注的是疏水表面和超疏水表面。對于疏水表面，進一步增加表面疏水性是抑制結冰的有效方法。增加表面疏水性一方面可增加冰晶成核勢壘，延緩結冰時間；另一方面可降低冰晶與表面的黏附力，使冰層容易去除。然而，這些方法依然是在結冰前或者結冰后來防冰或者除冰，并沒有達到“從源頭上”抑制結冰。而對于超疏水表面，目前已有研究發現超疏水表面在防止撞擊液滴結冰方面表現優異，能從源頭上抑制結冰。但是，對液滴撞擊過程中的動力學特性和結冰特性進行耦合探究，進而揭示利用液滴的反彈特性抑制結冰的機理是有必要的。

2 基于液滴的“反彈特性”實現抑制結冰的機理和思路

自荷葉效應[55]發現以來，超疏水表面在自清潔、特別是防結冰方面的應用受到廣泛關注。特別是與普通疏水表面相比，超疏水表面可將結冰時間由5 s延長到70～80 s，提高一個數量級。除了可以大幅度延長結冰時間外，液滴撞擊超疏水表面所展現的動力學特性也與撞擊親水或常規疏水表面有很大不同。例如，液滴撞擊超疏水表面在回縮過程結束后會更容易發生反彈。可以試想，如果液滴在成核或者再輝發生之前彈離表面，就可以從根本上解決撞擊液滴的結冰問題。也就是說，降低液滴在表面的接觸時間能夠促進液滴快速彈離表面并達到抑制其結冰的目的。

表1 液滴撞擊具有不同結構的固體表面時的接觸時間（無量綱）Table 1 Comparison of the dimensionless contact time of droplets

上述研究證實了借助宏觀尺度的脊和特定的微結構可使撞擊液滴的接觸時間突破理論極限，為抑制結冰提供了思路。然而，這些研究均是針對液滴撞擊超疏水常溫表面。當液滴撞擊疏水表面時，由于表面疏水性的降低，表面浸潤性勢必影響撞擊液滴的反彈特性。研究發現[62-65]，撞擊表面的浸潤性越小，液滴的回縮速度越快，其臨界反彈速度越小，液滴越容易彈離表面。權生林等[62]通過改變表面浸潤性，研究了具有不同表面浸潤性的表面對液滴撞擊動力學特性的影響。當表面為親水表面時，液滴與表面之間的相互作用力較大，液滴在撞擊過程中只會發生沉積現象,并沒有彈離表面；隨著表面疏水性的增大，液滴與表面之間的相互作用力不斷減小，當增大Weber數（We）時，撞擊液滴會由沉積逐漸變為反彈；而當表面為超疏水表面時，即液滴與固體表面的相互作用力非常小，液滴撞擊表面后沒有發生沉積，而是在非常小的We下就可以發生反彈。這表明，液滴在表面的反彈特性不僅與接觸時間密切相關，同時受表面浸潤性的影響。

需要指出的是，當液滴撞擊冷表面時，由于在撞擊過程中液滴和表面會發生傳熱，此時，液滴撞擊表面的動力學過程、傳熱過程以及結冰過程相互耦合相互影響，勢必影響撞擊液滴的反彈特性。因此，有必要深入探究表面過冷度對液滴反彈、傳熱以及結冰特性的影響規律。

總之，利用撞擊液滴在超疏水表面的反彈特性作為一種抑制結冰的思路，可實現“從源頭上”抑制結冰。然而之前的研究大部分是針對液滴撞擊超疏水常溫表面展開的。當液滴撞擊疏水冷表面時，由于表面疏水性的降低以及撞擊過程中液滴和表面發生傳熱，表面浸潤性和過冷度都會發生改變，勢必會影響撞擊液滴的反彈特性，有待于進一步研究。

3 液滴撞擊超疏水表面的研究

近期，作者所在課題組[59]圍繞液滴撞擊常溫表面的動力學特性以及液滴撞擊冷表面的動力學及結冰特性開展了一系列實驗和模擬研究。基于平表面上的宏觀脊能夠將液滴分裂并激發其非對稱性，進而可以降低液滴與固體表面接觸時間的研究，提出在傾斜表面施加一排宏觀脊的方法，這樣可以將表面的傾斜性和宏觀微結構這兩種非對稱性相結合，進一步減少接觸時間。過去的研究表明，當水平表面宏觀微結構脊間距與液滴直徑相當時，接觸時間最低。然而，作者發現，當液滴撞擊具有較大脊間距的傾斜表面時更容易被分裂，但是分裂后液滴與傾斜表面的接觸時間并沒有變短，反而有所增加，且傾角越大，接觸時間越長。當脊間距較小時，液滴在沒有被分裂的情況下，存在一個最佳間距使接觸時間變短，在這種情況下，傾角越大，接觸時間越短。

雖然之前的研究也證實了一些特定的脊和微結構可降低接觸時間，但需要指出的是，這些研究大多是針對液滴撞擊超疏水的常溫表面而言的。當液滴撞擊疏水的冷表面時，由于表面疏水性的降低以及撞擊過程中液滴和表面發生傳熱，會出現液滴在冷表面傳熱和流動的競爭[65-68]，勢必會影響接觸時間和成核再輝時間，最終影響撞擊液滴的反彈特性和結冰特性。例如，增大表面過冷度[68]，液滴撞擊超疏水表面后會由反彈變為黏附。Ding等[69]研究發現，液滴撞擊冷表面后會經歷鋪展、回縮和反彈，且當表面溫度低于-17℃時，回縮過程和反彈過程會受到抑制。這是由于隨著表面溫度的降低，液滴冷卻所需時間顯著縮短，導致凍結開始時間顯著下降。當表面溫度從-26.1℃下降到-28.6℃時，液滴凍結開始時間由18.7 ms縮短至11.3 ms。Boinovich等[70]的研究同樣發現，水滴撞擊溫度為-17℃的超疏水表面時可彈離表面，而當表面溫度降至-20℃時，只有70%的液滴可以有效反彈。這是因為液滴撞擊超疏水表面會誘發產生氣泡，當液滴溫度低于0℃時，氣泡在水中的擴散速率減慢，導致其存在時間呈指數級增加，氣泡產生了額外的成核位點，增加了冰晶成核速率[26]，最終使水滴撞擊超疏水表面后由反彈變為黏附進而結冰，極大地限制了超疏水表面的防結冰性能。

基于上述研究，作者開展了液滴撞擊裝飾有宏觀脊的低溫超疏水表面的實驗研究（圖7），發現在撞擊速度為1 m/s時，液滴撞擊超疏水常溫表面后會從表面彈離；當表面溫度降低到-15℃時，撞擊液滴無法彈離表面，最終在表面結冰；而在-15℃的冷表面上布置宏觀尺度的脊時，撞擊液滴又會彈離表面，這是由于脊打破了撞擊液滴鋪展和回縮的圓周對稱性，縮短了接觸時間。上述工作證實了：（1）表面過冷度影響液滴的接觸時間，增大過冷度增加了接觸時間；（2）當成核再輝時間小于接觸時間時，動力學過程與結冰過程發生耦合，液滴無法彈離表面發生結冰；（3）通過降低接觸時間，使成核再輝時間大于接觸時間，液滴可從表面反彈，成功抑制結冰。

圖7 液滴撞擊常溫超疏水表面(a)、低溫超疏水表面(b)和低溫超疏水加單根脊表面(c)的動力學性能和結冰性能Fig.7 The kinetics and icing performance of droplet impact on superhydrophobic surface at roomtemperature(a),superhydrophobic surface at low temperature(b)and the surface superhydrophobic and single ridge at low temperature(c)

4 總結與展望

本文主要基于液滴撞擊冷表面的結冰問題，綜述了近年來液滴撞擊冷表面的動力學特性、結冰特性以及液滴撞擊結冰理論建模等方面的研究進展，并分析了目前研究中主要存在的問題。在此基礎上，基于撞擊液滴的反彈特性可從源頭上抑制結冰這種思路，提出可通過降低接觸時間或者增加成核再輝時間來實現從源頭上抑制結冰的新方法。最后，通過模擬和實驗研究初步證明了這種新方法的可行性。

然而，利用撞擊液滴的反彈特性實現從源頭上抑制結冰作為一種新的抑冰方法，盡管得到了一定的發展，也展現出了良好應用前景，但距離實際應用仍有一定的差距。目前仍有一些基礎性的問題需要得到解決。（1）考慮在實際應用中，假如撞擊表面嚴格上是超疏水表面，這一條件比較苛刻，其在一定程度上會限制利用液滴的反彈抑制結冰的應用范圍。如果表面不是超疏水表面，而是疏水表面，液滴反彈的臨界撞擊速度勢必增加。表面疏水性越差，液滴反彈的臨界撞擊速度越高。這就向研究者提出一個問題：如何通過合理的表面設計，使液滴以低速撞擊疏水表面時也可彈離表面?如果這一問題得到解決，將極大擴展這種抑冰思路的應用范圍。（2）當常溫液滴撞擊冷表面時，液滴和表面之間會進行熱量交換，表面過冷度勢必影響接觸時間和成核再輝時間，進而影響撞擊液滴的反彈特性。僅當接觸時間小于成核再輝時間時，液滴才能從表面彈離，達到抑制結冰的作用。因此，有必要深入探究表面浸潤性和過冷度對液滴反彈特性的影響規律，建立接觸時間和成核再輝時間與表面浸潤性和過冷度的依變關系。這些問題的進一步解決，可為實現“利用撞擊液滴的反彈特性抑制結冰”提供理論基礎和技術支撐。

符號說明

ΔG——成核自由能勢壘，kJ/mol

R——液滴在表面的接觸半徑，m

R0——液滴初始半徑，m

Wcl——液滴撞擊表面過程的接觸線耗散，J

ρ——液滴密度，kg/m3

τc——液滴撞擊超疏水表面接觸時間，s

τ*——液滴撞擊超疏水表面無量綱接觸時間，τ*=τc/(ρR03/γ)1/2