来源 | Applied Thermal Engineering

链接 | https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.127687

液滴撞击固体表面的物理现象，早已不是实验室中好奇心驱动的“慢镜头美学”，而是横跨农业喷洒、基础设施防护、先进制造与电子冷却的关键技术命题。从喷墨打印、表面自清洁到3D打印，液滴动力学在不同场景中“落地开花”；而在热管理领域，它的意义更是被大幅放大。

01

引言

随着人工智能、大功率芯片及高热通量设备的兴起，传统冷却技术面临极限瓶颈。特别是在百瓦每平方厘米量级的散热挑战下，喷雾冷却因其独特的相变传热机制而脱颖而出。液滴撞击高温表面的瞬间，不只是形态的变幻，更是动量、热量与相界面三重耦合的复杂博弈。

但液体喷雾系统本身复杂参数众多（液滴尺寸、分布、速度、液性……），使得工程优化如走迷宫。于是研究者转向单个液滴的可控撞击实验，逐步解码“热壁面上的液滴行为学”。液滴撞击加热固体表面的热调控问题已成为高性能热管理中的关键挑战。

液滴与热表面的相互作用，涵盖从分子尺度的黏附行为到宏观尺度的流动动力学，其动态演化受到接触线沸腾、Leidenfrost回弹等热物理机制的主导调控。近年来，学界已在实验与数值两方面取得显著进展：实验上，发展了多种高分辨成像技术，用以观察液滴形貌演化、内部流动和温度场分布；模拟上，则建立了多种界面追踪方法（如Level Set、VOF、Phase Field等），深入揭示了热驱动下多相流的演化机制。

02

一次关于极限散热能力的系统验证

近日，清华大学曹炳阳教授团队（第一作者为清华大学李斌博士）系统回顾了液滴撞击加热固体表面的实验观测与数值模拟进展，并梳理了多种热-流-界面物理机制，揭示喷雾冷却技术的微观基础。本文综述总结了液滴撞击过程中不同力学平衡下的物理现象，以及由液滴/表面温度所决定的沸腾机制与调控路径。通过调控液体性质或表面结构，可以有效控制液滴回弹行为及Leidenfrost效应，从而实现对热交换效率的工程优化。文章最后指出，液滴撞击动力学的研究正逐渐形成跨尺度、多物理场融合的研究体系。未来的发展方向包括：纳米结构对润湿性的调控机制、非定常热场下的瞬态响应、以及复杂液体（如多组分、非牛顿液体）在高温表面的撞击行为。该领域的发展不仅有助于推动基础热科学研究，更将在高热流密度冷却、界面热调控等工程应用中发挥重要作用。研究成果以“Droplet impact on heated solid surfaces: from experimental and numerical approaches to dynamic behavior”为题发表在《Applied Thermal Engineering》期刊。

03

图文导读

图1. 描述本研究中关键研究方向的框架图。

图2.加热固体表面液滴碰撞实验平台。

图3. 使用背光和侧光进行光学成像。

图4. 使用不同照明方法对撞击液滴进行可视化。

图5.通过顶部（a-d）和底部（e-g）的照明，从仰视图可视化撞击的液滴。

图6. 撞击过程中撞击液滴（a）和（b）空气膜生成序列的X射线可视化示意图。

图7. 使用PIV方法对撞击液滴进行可视化。

图8.利用红外相机对撞击液滴进行可视化。

图9. 用于模拟的多种数值方法。

图10.作为韦伯数和液体粘度函数的冲击现象相图。

图11. Splashing occurrence。

图12. 与液滴撞击受热表面相关的流体力学和传热机制。

图13.冲击温度为100℃的加热表面后，四种状态下的热诱导液滴状态100℃（a），160◦C（b），220◦C（C）和300◦C (d)。

图14. Vapor layer in the Leidenfrost regime。

图15. （a）水滴冲击多孔表面的最大扩散系数；（b）水和氟液滴对硅片的最大扩散系数；（c）水滴撞击倾斜的加热表面。

图16. 表面温度（TS）对飞溅的影响。

图17. 表面粗糙度（a-b）、纹理（c-d）和润湿性（e）对莱顿弗罗斯特温度变化或跳跃行为的影响。

图18. 在25℃（a）50◦C（b）95◦C（C）和高温下聚合物水溶液撞击超疏水表面的快照和冲击相图。

图19. 通过表面工程实现的典型应用。

图20. 代表性牛顿（a-c）和非牛顿（d-f）流体、离子液体（g）、液态金属（h）的冲击现象。

图21. 不同液滴撞击亲水性加热表面的状态图。（a）水和FC-72液滴；（b）NaCl水溶液液滴；（c）粘弹性（聚环氧乙烷水溶液）液滴；（d）离子液体（[EMIM][SCN]）液滴。

04

关于“曹炳阳”

曹炳阳，清华大学航天航空学院教授，院长，国家杰青，国际先进材料学会Fellow，亚洲热科学联合会Founding Fellow，美国工程科学学会Fellow。曾获得教育部新世纪优秀人才支持计划、中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者奖、教育部自然科学一等奖、国际先进材料学会IAAM Medal、爱思唯尔高被引学者奖等荣誉。担任国防173重点项目首席科学家、国际传热大会常务理事会理事、国际传热传质中心科学理事会理事、亚洲热科学与工程联合会秘书长、中国航空教育学会常务理事、中国复合材料学会导热复合材料专业委员会副主任、中国工程热物理学会理事、中国工程热物理学会传热传质专业委员会委员、中国热管理产业技术创新战略联盟理事、中国航空学会燃烧与传热专业委员会委员、中国宇航学会空间能源专业委员会委员等学术职务。主要研究领域为微纳尺度传热、热功能材料及电子系统热管理，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家重大科技专项等三十多项课题，迄今发表SCI学术论文190余篇，担任ES Energy & Environment主编，Journal of Physics: Condensed Matter、Materials、Scientific Reports等9个国际期刊编委。

课题组链接：http://www.heatenergist.org/

HEG（Heatenergists Group）课题组由清华大学航空航天工程学院院长曹炳阳教授领导。HEG的研究领域主要集中在：（1）纳米结构中的热传递，包括半导体、聚合物、金属等非晶态或异质纳米材料中的非傅里叶传递效应和热物理性质；（2）热功能材料，如具有高导热系数的热界面材料、具有可调热性能的智能材料、纳米电学或能源中的异质结构纳米材料;（3）热管理技术，即集成电路、能源、激光、航天器等领域的仿真、测量、设计和器件。HEG小组的研究领域是跨多学科的，其中涉及微电子学、能源、航空航天、热物理学、微纳流体学和材料科学。