王旭東 范欣琪 黎志偉 王逸飛 鄧梓龍

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

液滴撞擊熱表面現(xiàn)象普遍存在并被廣泛應(yīng)用于動力機(jī)械、材料科學(xué)、農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域[1-2]，一方面，液滴沖擊可增強(qiáng)液滴對壁面的冷卻效果，如軋鋼、金屬鑄造等工藝中常見的噴霧冷卻、噴淋冷卻技術(shù)，具有易實(shí)現(xiàn)、換熱能力強(qiáng)、換熱系數(shù)分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。另一方面，液滴碰撞會對一些工業(yè)裝置產(chǎn)生負(fù)面影響，如在高速的柴油機(jī)或缸內(nèi)直噴的汽油機(jī)中，大量噴霧油滴碰壁形成壁面油膜將引起冷起動工況，并造成有害排放[3-6]?？傊?，不同領(lǐng)域?qū)σ旱巫矒魺岜砻婧蟮男螒B(tài)要求不盡相同，因而對液滴撞擊熱表面過程進(jìn)行系統(tǒng)研究非常有必要。

液滴撞擊熱表面體表面的現(xiàn)象非常復(fù)雜，它不僅是一個流體動力學(xué)問題，而且還和熱表面物理學(xué)有關(guān)。液滴撞擊熱表面后，部分表面發(fā)生自由流動，同時與熱表面或空氣間產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱、質(zhì)交換[7-10]，導(dǎo)致液滴發(fā)生鋪展，反彈甚至飛濺等形態(tài)變化。這種變化不僅與液滴自身的特性，如液滴的大小、表面張力等有密切聯(lián)系，而且還和撞擊熱表面的性質(zhì)如熱表面的形狀，表面粗糙度，表面溫度等因素有關(guān)[11]。

目前已有的文獻(xiàn)研究主要集中在絕熱沖擊動力學(xué)特征上，但對液滴撞擊熱表面前后的形態(tài)變化規(guī)律和熱交換過程缺乏較具條理性的總結(jié)，因此本文將對液滴在撞擊固體熱表面的過程中的形態(tài)演化規(guī)律，傳熱性能及影響因素進(jìn)行綜述，深入了解液滴撞擊熱表面過程涉及的液滴動力學(xué)行為及液滴與熱壁面間的傳熱傳質(zhì)行為，以期為冷卻技術(shù)、化工技術(shù)、等技術(shù)領(lǐng)域遇到的相關(guān)問題提供幫助。

1 液滴撞擊過程中的形態(tài)演化

不同條件下液滴撞擊固體表面過程中的液滴形態(tài)變化特征不盡相同，國內(nèi)外學(xué)者對此已展開了大量的研究。Teodori E等人[12]結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了液滴撞擊固體表面過程中的液滴形態(tài)變化以及傳熱特性，得到液滴在不同溫度下撞擊固體表面的形態(tài)變化過程以及溫度分布情況。Liang G等人[13]實(shí)驗(yàn)觀測了單個液滴撞擊不同傾角濕潤表面上的動力學(xué)行為，獲得了液滴擴(kuò)散，液滴噴射薄片，飛濺，反彈和部分反彈幾種撞擊現(xiàn)象。Hamdan K S 等人[14]研究了液滴撞擊Leidenfrost溫度以上高溫表面的行為。結(jié)果表明，We數(shù)小于30時，液滴撞擊熱表面反彈后不破裂成小液滴，而We數(shù)高于極限值時，液滴分裂成小的二次液滴。Cheng Y等人[15]建立了液滴冷卻瞬態(tài)模型，研究了撞擊速度，表面張力，初始液滴半徑，接觸角和液滴粘度對液滴鋪展的影響。結(jié)果表明隨著沖擊速度，表面張力和初始半徑的增加或接觸角和液體粘度的降低，液滴的鋪展速率將增加。

鑒于霧化的重要性，前人對液滴撞擊固體熱表面時產(chǎn)生的液滴破裂行為進(jìn)行了廣泛的研究，但對膜態(tài)沸騰狀態(tài)下噴流破裂現(xiàn)象的認(rèn)識仍然欠缺。Wu H 等人[16]實(shí)驗(yàn)觀測了不同 We 數(shù)，液滴滴落高度條件下正丁醇撞擊到熱壁面上的噴射破裂過程。結(jié)果表明，We數(shù)在14.34～89.13時會發(fā)生射流破裂，但 We 數(shù)超過反彈極限時，射流破裂現(xiàn)象消失。液滴發(fā)生射流破裂時，若We數(shù)為14.34～65.20，破裂液滴的數(shù)目先隨 We數(shù)的增加而增加，然后隨We數(shù)增加而減少。破裂液滴的長度表現(xiàn)為先隨We數(shù)緩慢增加，然后急速下降，最后再增加。破裂時間與Rayleigh不穩(wěn)定性理論一致，但是撞擊到受熱表面時的射流破裂現(xiàn)象與 Rayleigh 不穩(wěn)定性理論存在很大差異。Gradeck M 等人[17]建立了液滴撞擊熱壁的鋪展和回縮過程理論模型，估測了該過程中的傳熱系數(shù)。另外，他們還通過實(shí)驗(yàn)測定了液滴撞擊溫度高于 Leidenfrost 點(diǎn)的熱壁面時壁面上的傳熱系數(shù)。

液滴撞擊熱表面過程中液滴的形態(tài)演化規(guī)律與多種因素有關(guān)，不同實(shí)驗(yàn)條件下液滴撞擊熱表面的現(xiàn)象不盡相同。很多學(xué)者針對不同的影響因素以及不同的初始條件，通過不同的實(shí)驗(yàn)方法，得到了可靠的結(jié)論，通過數(shù)學(xué)模型預(yù)測其形態(tài)演化規(guī)律的研究并不多見，這一方面還需要更加深入的研究。

2 主要影響因素

2.1 表面潤濕特性

由于表面潤濕特性直接影響液滴在熱壁面上的鋪展行為，研究人員針對表面潤濕性對液滴撞擊熱壁面行為的影響作用機(jī)理開展了一系列研究。Jin M K等人[18]研究了疏水條紋對液滴和熱壁面換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)平行條紋表面具有比交叉條紋表面更高的臨界熱流密度，且每個方向的條紋間距越寬，臨界熱流密度更高。Crockett J 等人[19]選取了親水，超親水，疏水，超疏水四種表面，發(fā)現(xiàn)對于任意 We數(shù)，液滴撞擊親水或超親水表面時在固- 液界面處更容易形成蒸汽覆蓋層。相比于其他類型的表面，撞擊在超疏水表面上時不會發(fā)生強(qiáng)烈的霧化。Khojasteh D等人[20]觀測了液滴撞擊超疏水剛性表面的動力學(xué)行為，獲得了沉積，瞬時飛濺，電暈飛濺，后退分解，部分反彈和完全反彈 6 種行為，其中，具有較大粗糙度的表面，更有可能產(chǎn)生反彈現(xiàn)象，帶有十字形紋理柱體的表面表現(xiàn)出最佳的反彈能力。

目前的研究中，對具有不同潤濕特性的非均質(zhì)表面研究較少。Zhao J等人[21]基于多體耗散粒子動力學(xué)對化學(xué)非均質(zhì)表面（具有不同潤濕性能）上液滴撞擊和鋪展行為進(jìn)行了數(shù)值模擬。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)非均質(zhì)表面粘滑運(yùn)動分?jǐn)?shù) Φlic=0.3 時，撞 擊速度越大，液滴鋪展直徑越大；當(dāng) Φlic= 0.7時，會 出現(xiàn)鋪滿現(xiàn)象。此外，粘 滑特性運(yùn)動只出現(xiàn)在非均質(zhì)表面，而不會在均質(zhì)表面出現(xiàn)。Chen H等人[22]發(fā)現(xiàn)添加1-辛醇和2-乙基己醇表面活性劑后，由于表面張力降低，動態(tài) Leidenfrost 溫度顯著增加。Li X等人[23]研 究發(fā)現(xiàn)，在超疏水表面上，當(dāng)傾斜角小于表面滾動角時，靜態(tài)接觸角較大的表面液滴擴(kuò)展半徑變小。當(dāng)傾斜角大于表面的滾動角時，滾動角較小的表面上液滴的擴(kuò)展半徑變小。

2.2 表面接觸角

大量研究表明，液滴接觸角與其蒸發(fā)速率之間有密切的聯(lián)系[24-25]。Semenov S等人[26]認(rèn)為接觸角滯后現(xiàn)象會限制液滴的蒸發(fā)。Chandra S等人[27]研究表明借助表面活性劑改變接觸角可以增加液滴蒸發(fā)速率。Mudawar I等人[28]研究了拋光鋁表面水滴對準(zhǔn)靜態(tài)前進(jìn)接觸角的溫度依賴性。當(dāng)Tw＜120℃時，液滴接觸角基本保持恒定，但壁面溫度Tw＞ 120 ℃時，接觸角隨溫度升高逐漸減小。

2.3 表面粗糙度

Tang C等人[29]觀測了液滴（水，癸烷，乙醇和十四烷）在不銹鋼表面上的撞擊過程，他們發(fā)現(xiàn)液滴鋪展時，表面粗糙度越大，最大鋪展直徑越小，We 數(shù)越大，液滴擴(kuò)展速度越快。

2.4 液滴尺寸

大多數(shù)研究表明，當(dāng)固體表面溫度Tw＞Leidenfrost 溫度時，隨著Tw的增加，液滴的壽命逐漸減小。而Xiong T Y和Yuen M C[30]認(rèn)為，隨著Tw的增加，小液滴的壽命減少非常緩慢，或者根本不會減少。Labeish V G[31]指出，在膜沸騰狀態(tài)下，水滴與壁面的接觸僅持續(xù)約2.5 ms。Choi K J[32]研究了液滴大小對繞其軸線旋轉(zhuǎn)的加熱圓盤的薄膜沸騰傳熱的影響。在600轉(zhuǎn)/分鐘的較低轉(zhuǎn)速下，較大的液滴其傳熱特性好于較小的液滴。

表面潤濕特性、表面接觸角、表面粗糙度、液滴尺寸等因素均對液滴撞擊熱表面的過程中液滴的形態(tài)變化具有一定的影響，大多數(shù)學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)的方法對其進(jìn)行了一定的研究，也有少數(shù)學(xué)者利用數(shù)值模擬的方法得到相關(guān)的結(jié)論，均具有較高的合理性。

3 液滴撞擊過程的傳熱特性

液滴在與壁面接觸的過程中會發(fā)生劇烈的熱質(zhì)交換，跟大部分沸騰一樣，液滴撞擊熱表面過程中的熱傳遞曲線可以被分為薄膜沸騰，過度沸騰，核沸騰和薄膜蒸發(fā)。這些沸騰模式受表面粗糙度的影響，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)工質(zhì)沸騰過程復(fù)雜。

Bernardin J D[33]等人繪制了液滴撞擊熱壁面的沸騰曲線圖，其體現(xiàn)出的液滴演化趨勢為：（a）表面溫度降低，液滴壽命會增加。（b）We數(shù)增加，液滴的鋪展時間逐漸增加，（c）We 數(shù)增加，液滴的破裂更加劇烈。Duan X等人[34]數(shù)值模擬空心液滴撞擊濕潤表面過程，并分析了液滴撞擊動力學(xué)行為及與熱壁面間的傳熱特性。研究發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)部壓力梯度的存在，空心液滴內(nèi)部存在逆流射流?？招囊旱螞_擊過程中傳熱平均壁面熱通量先增加，達(dá)到最大值后減小，在沖擊的中間階段，壁面熱通量在空間上呈近似的高斯分布。Jung J等人[35]通過紅外測溫對液滴與壁面碰撞傳熱特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明單液滴與壁面?zhèn)鳠崽匦钥梢苑譃槿N狀態(tài)：潤濕狀態(tài)，接觸反彈狀態(tài)和非接觸反彈狀態(tài)。Gangtao Liang等[13]發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱壁面溫度低于Leidenfrost溫度時，液滴撞擊其上會發(fā)生劇烈核沸騰，輕微核沸騰和薄膜蒸發(fā)三種現(xiàn)象。Fau S等人[36]用細(xì)鎢絲（直徑50 μm）以不同加熱速率加熱飽和蒸餾水，在脈沖加熱期間，隨著加熱速率的升高，依次出現(xiàn)核沸騰、核沸騰向膜沸騰的過渡、膜沸騰三種現(xiàn)象而在熱弛豫階段，觀察到薄膜塌陷的特征有兩種：薄膜分裂成核沸騰狀態(tài)或蒸汽持續(xù)減少。

多數(shù)研究集中在高于 Leidenfrost 溫度的薄膜沸騰狀態(tài)下的撞擊。Dunand P等人[37]則使用雙色Laser-誘導(dǎo)熒光測溫法研究在高于Leidenfros溫度的表面條件下進(jìn)行的撞擊固體表面的水滴傳熱溫度。研究表明：隨著溫度的降低，液滴對熱固體表面的冷卻作用強(qiáng)烈下降，更小的液滴冷卻效率更高。Wu H 等人[16]利用高速攝影儀研究了遠(yuǎn)高于 Leidenfrost 溫度下正丁醇噴射的動態(tài)特性。Kompinsky E 等人[38]研究一次液滴和二次液滴在熱的表面上薄膜沸騰區(qū)的連續(xù)影響和液滴撞擊現(xiàn)象。他們認(rèn)為，由于傳熱時間短，連續(xù)撞擊過程中傳熱效果不明顯，傳熱系數(shù)低。而Breitenbach J 等人[39]則在該過程中引入傳熱預(yù)測理論模型，考慮到液滴擴(kuò)散和固體基質(zhì)中熱邊界層的擴(kuò)展，成功預(yù)測了噴霧傳熱過程中的傳熱系數(shù)。Wu Z H 等人[40]提出了在Leidenfrost溫度下一個旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動的球形液滴的理論模型。研究了 Leidenfrost 溫度下，移動液滴下面的蒸汽膜中的速度，壓力場和溫度分布。對于給定的表面溫度和液滴的初始半徑，他們的模型能夠確定蒸汽膜的最小厚度，旋轉(zhuǎn)速度，平移速度，傳熱速率以及液滴半徑隨時間的變化。

液滴撞擊熱表面的過程中會有熱量的變化，該傳熱特性對于液滴形態(tài)的變化同樣有一定的影響，通過研究不同條件下液滴的傳熱特性對于解決一些實(shí)際問題具有很重要的意義。

4 總結(jié)與展望

液滴撞擊熱表面的過程十分復(fù)雜，在各大領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，且不同領(lǐng)域?qū)σ旱巫矒魺岜砻娴睦梅矫娌槐M相同，因而從液滴撞擊熱表面過程的不同方面進(jìn)行系統(tǒng)研究尤為重要。

液滴撞擊熱表面的過程中，多數(shù)研究都集中在通過實(shí)驗(yàn)，以高速攝像儀觀察在不同壁面溫度，不同表面傾斜角度，不同撞擊速度等不同條件下液滴形態(tài)的變化特點(diǎn)，從而得出液滴的形態(tài)變化規(guī)律，而也有學(xué)者提出利用數(shù)學(xué)模型分析液滴擴(kuò)散規(guī)律，并且與實(shí)驗(yàn)分析吻合度很高。液滴撞擊熱表面的過程受表面潤濕特性、表面接觸角、表面粗糙度、液滴尺寸等多個因素制約，上文總結(jié)了前人關(guān)于這幾個因素對液滴撞擊熱表面過程影響的研究，其研究方法主要集中在通過實(shí)驗(yàn)觀察，而很少會通過數(shù)值模擬，因此這方面的工作需要進(jìn)一步深入。

液滴在撞擊熱表面的過程中無可避免的會發(fā)生熱量的交換，很多研究都對此現(xiàn)象做出了很深入的分析，探究了不同的因素對其傳熱特性的影響，并且建立了很多預(yù)測其傳熱特性的模型，成功預(yù)測了傳熱系數(shù)等參數(shù)，具有很大的研究意義。

目前來看，對于液滴撞擊熱表面對溫度分布規(guī)律的探究以及撞擊前后液滴形態(tài)的深入了解還比較缺乏。以往一般使用高速攝影儀來觀察液滴撞擊過程的具體現(xiàn)象，而目前發(fā)展出了一些新的方法如全內(nèi)反射或干涉式高速成像等方法，有助于進(jìn)一步更加詳細(xì)的了解撞擊過程中的具體現(xiàn)象。