普遍存在于自然界中的液滴碰撞过程蕴含了丰富的流体现象，比如，梅雨时节雨滴掉落到池塘里可形成有趣的形貌图案；最近被广泛研究的液滴碰撞到过冷表面引起液滴的冷凝结冰甚至破碎现象等。由于碰撞液滴的冷凝结冰形貌依赖于周围环境（湿度和温度）、液滴性质（液滴尺寸和碰撞速度）以及基底性质（温度和亲疏水性）等诸多参数，使得该问题的研究具有相当的挑战性，特别在实验上很难得到完整可靠的结果。
航空航天系邓道盛研究员课题组针对液滴碰撞低温固体表面冷凝结冰现象开展了实验研究，发现仅仅通过控制一个物理参数即液滴的下落高度，便得到液滴碰撞过冷金属表面后四种典型的结冰形貌，并针对它们的形成机理及相关冷凝动力学过程进行了深入分析，建立了完整的相图。相关研究结果（”Frozen patterns of impacted droplets: From conical tips to toroidal shapes”）以Rapid Communications发表在流体物理学术期刊Physical Review Fluids上。
通过系统的实验研究和理论分析，发现当液滴的下落高度从低到高依次变化，液滴撞击过冷金属表面之后分别出现了球冠形（ICT）、煎蛋形（SCP）、甜甜圈（STS）以及双环形（DTS）四种典型的结冰形貌（图1）。
图1 四种典型结冰形貌随时间动态演变的高速图像
进一步，利用与高速相机同步地红外热像仪从温度角度展示了这四种结冰形貌冷凝过程中温度分布随时间的演变（图2），发现不同结冰形貌的形成过程与对应的温度分布之间存在密切的联系。
图2 四种典型结冰形貌温度分布随时间动态演变的热像图
为了得到对应四种结冰形貌的完整相图，改变液滴下落高度和液滴大小进行了一系列实验。利用标度律理论分析得到不同结冰形貌的转变关系式，与实验结果吻合良好。进而，可以通过选择液滴下落高度和液滴大小，得到特定的冷凝结冰形貌，实现对结冰形貌的主动调控。
该研究成果不仅为碰撞液滴冷凝结冰现象的研究提供了完整可靠的物理图像，也为航空航天飞行领域的结冰防冰技术研究以及3D打印、热喷涂等相关领域的研究提供了有益的参考依据。复旦大学航空航天系博士后胡曼和博士生王峰为共同第一作者，哈佛大学鲁宾斯坦教授合作参与该研究。该项工作得到了国家计划和复旦大学启动基金、国家自然科学基金、中国博士后科学基金的支持。
全文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevFluids.5.081601
