張 濤, 陳 君, 李永平, 宋新河, 楊 蕊, 呂 明

(1. 北京控制工程研究所, 北京 100190; 2. 北京市高效能及綠色宇航推進(jìn)工程技術(shù)研究中心, 北京 100190; 3. 北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院, 北京 100044)

1 前 言

液滴間相互碰撞是自然界和工程領(lǐng)域各種流體動(dòng)力學(xué)過程中常見的一種現(xiàn)象，比如雨、雪的形成過程，內(nèi)燃機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧燃燒過程，化工工程中的液液萃取過程等[1]。其中，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴霧與霧化過程中，液滴間的相互碰撞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能產(chǎn)生重要影響[2]。

目前，國內(nèi)外針對(duì)液滴間相互碰撞研究采用的方法包括理論解析[3-5]、數(shù)值模擬[6-10]和實(shí)驗(yàn)方法[11-14]。其中，理論解析和數(shù)值模擬方法雖然可以省時(shí)、低成本地得到研究結(jié)果，但由于采用了一定的假設(shè)與簡化，得到的結(jié)果往往與實(shí)際有一定偏差。實(shí)驗(yàn)方法可以更加直觀、準(zhǔn)確地反映液滴間相互碰撞后的運(yùn)動(dòng)過程，得到了國內(nèi)外學(xué)者的普遍青睞。國內(nèi)外一些學(xué)者根據(jù)不同研究目的，從不同角度對(duì)液滴間相互碰撞的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行過許多研究[9～14]，并取得了一定的研究成果。GAO等[15]采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)同等大小乙醇液滴和水滴的碰撞融合展開了實(shí)驗(yàn)研究；GUNN[16]通過改變水滴相對(duì)速度以及碰撞角度對(duì)水滴下落過程中的相互碰撞融合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。從目前發(fā)表的文獻(xiàn)看，國外研究者對(duì)于液滴間的碰撞實(shí)驗(yàn)研究大多集中在液滴間的碰撞融合與反彈運(yùn)動(dòng)以及衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生，且所研究液滴的尺寸比較大；國內(nèi)由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備及拍攝手段的限制，對(duì)液滴間碰撞融合與破碎的研究大都采用數(shù)值模擬方法。

鑒于研究現(xiàn)狀及不足，本文從液滴間相互碰撞時(shí)液滴融合與破碎角度開展液滴間碰撞運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究。在搭建液滴間相互碰撞的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)液滴間相互碰撞的碰撞融合過程、振蕩運(yùn)動(dòng)無量綱寬長比的變化歷程、碰撞破碎運(yùn)動(dòng)發(fā)生的臨界條件以及液滴物性參數(shù)對(duì)液滴間相互碰撞運(yùn)動(dòng)的影響等進(jìn)行分析。

2 液滴間相互碰撞的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

液滴間碰撞運(yùn)動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)研究的核心技術(shù)就是液滴間相互碰撞時(shí)運(yùn)動(dòng)過程的記錄，高速攝影技術(shù)的發(fā)展為液滴間相互碰撞運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究提供了測試基礎(chǔ)。

根據(jù)液滴間相互碰撞運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究的需要，建立一套液滴間相互碰撞運(yùn)動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括液滴生成系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 液滴之間互相碰撞的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) Fig.1 The visualization experimental system for collision study between droplets

液滴生成系統(tǒng)主要包括液滴發(fā)生器、微量進(jìn)樣器以及用于液滴發(fā)生器固定的支架等部分?？紤]到液滴生成過程中液滴尺寸大小和液滴速度的控制，使用單分散氣溶膠液滴發(fā)生器生產(chǎn)射流狀液滴，微量進(jìn)樣器生成單液滴。美國TSI公司的 MODEL PAID3450型液滴發(fā)生器，能夠生產(chǎn)直徑為25～240 μm的液滴，微量進(jìn)樣器能夠產(chǎn)生0.5～2.5 mm的液滴。實(shí)驗(yàn)過程中，液滴之間相互碰撞的速度差可以在0 ～10.0 m?s-1進(jìn)行調(diào)節(jié)，相撞液滴的無量綱尺寸差0～2 000 μm，無量綱尺寸比0.8～3.0。

液滴之間相互碰撞運(yùn)動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵是液滴相互碰撞時(shí)運(yùn)動(dòng)過程的采集與記錄。圖像采集系統(tǒng)主要用于高速捕捉液滴之間發(fā)生相互碰撞過程的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及變化歷程，主要包括高速攝影儀、微距鏡頭、輔助光源和計(jì)算機(jī)等部分。高速攝影儀采用美國IDT公司生產(chǎn)的MotionPro Y4，最高拍攝幀數(shù)超過130 000 fps，最大分辨率為1 024×1 024，最小曝光時(shí)間為5 μs。微距鏡頭采用的是尼康24～105 mm f/2.8-4D AI Zoom-Nikkor。實(shí)驗(yàn)中采用背光廣源法對(duì)液滴間相互碰撞過程進(jìn)行拍攝，背光在經(jīng)過柔光紙分散以后光源變得均勻，便于調(diào)節(jié)攝像機(jī)鏡頭的光圈和快門等參數(shù)。

圖 2 無量綱尺寸比為 1.8 的乙醇液滴以相對(duì)速度3.14 m?s-1 的速度相互碰撞時(shí)的運(yùn)動(dòng)形態(tài) Fig.2 Variation of ethanol droplets with a size ratio of 1.8 colliding at 3.14 m?s-1

3 液滴間相互碰撞后的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分析

以兩個(gè)無水乙醇液滴為研究對(duì)象，對(duì)不同尺寸比及不同碰撞速度的兩個(gè)乙醇液滴之間發(fā)生碰撞后的運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行分析。液滴碰撞過程中，碰撞角度始終為90°，即單分散氣溶膠液滴發(fā)生器產(chǎn)生的液滴水平運(yùn)動(dòng)，微量進(jìn)樣器產(chǎn)生液滴垂直下落。

圖2是無量綱尺寸比1.8的兩個(gè)乙醇液滴以相對(duì)速度為3.14 m?s-1發(fā)生相互間碰撞時(shí)液滴形態(tài)的變化歷程。由圖2可見，兩個(gè)液滴運(yùn)動(dòng)形態(tài)為融合。在液滴融合過程的早期，兩個(gè)液滴首先融為一個(gè)扁平狀的大液滴。該大液滴隨時(shí)間的增加而逐漸拉長，直至為一個(gè)中間細(xì)兩頭大的啞鈴狀液滴。而當(dāng)該液滴拉長到最大時(shí)，液滴又出現(xiàn)了收縮，最終啞鈴狀的液滴收縮為一個(gè)大液滴。液滴的形態(tài)在融合過程中呈現(xiàn)出比較明顯的反復(fù)拉伸特點(diǎn)。

為了研究相同初始液滴尺寸比、不同碰撞速度時(shí)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，圖3給出了兩個(gè)乙醇液滴相互碰撞后的形態(tài)變化歷程，無量綱尺寸比為1.8，相對(duì)速度為4.95 m?s-1。 從圖3可見，兩個(gè)乙醇液滴相互撞擊的相對(duì)速度增大到4.95 m?s-1后，兩個(gè)液滴相撞以后出現(xiàn)了不同現(xiàn)象。在兩個(gè)液滴相撞以后的0.4 ms時(shí)刻，大液滴被小液滴撞擊成了扁平狀，在相互碰撞的1.2 ms時(shí)刻，液滴由扁平狀變?yōu)殚L條狀。隨著時(shí)間增加，該長條狀中間逐漸變細(xì)出現(xiàn)了內(nèi)凹現(xiàn)象，在2.0 ms時(shí)刻內(nèi)凹部位變得極細(xì)，形成了兩頭大中間小的啞鈴狀。在2.4 ms時(shí)刻該內(nèi)凹處開始斷裂，最終形成了兩個(gè)大小相近的液滴，說明撞擊的相對(duì)速度增大到一定程度后，液滴相互撞擊后產(chǎn)生了一定程度破碎。

圖3 液滴尺寸比為1.8液滴以4.95 m?s-1的相對(duì)速度相互碰撞后的運(yùn)動(dòng)形態(tài) Fig.3 Shape variation of the droplets after collision at a relative velocity of 4.95 m?s-1

圖4 液滴尺寸比1液滴以3.14 m?s-1相對(duì)速度相互碰撞后的運(yùn)動(dòng)形態(tài) Fig.4 Shape variation of the droplets after collision at a relative velocity of 3.14 m?s-1

為了研究相同碰撞速度、不同初始液滴尺寸比時(shí)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，圖4給出了兩個(gè)乙醇液滴互相碰撞后的形態(tài)變化歷程，無量綱尺寸比為1，相對(duì)速度為3.14 m?s-1。

從圖4中可以看出，兩個(gè)乙醇液滴的尺寸比為1的時(shí)候，它們之間發(fā)生互相撞擊后，首先融合成一個(gè)單液滴，然后單液滴變成扁平狀；1.6 ms時(shí)刻該扁平狀液滴變?yōu)橹虚g細(xì)兩頭大的啞鈴狀，隨著時(shí)間的增加，啞鈴桿逐漸被拉長；在2.0 ms時(shí)刻被拉長的啞鈴桿出現(xiàn)了斷裂，形成若干個(gè)大小不均的小液滴。

對(duì)比圖2和圖3可以看到，當(dāng)兩個(gè)液滴相互撞擊的相對(duì)速度進(jìn)一步增大到4.95 m?s-1后，兩個(gè)液滴相撞以后出現(xiàn)液滴被拉長斷裂現(xiàn)象。而相對(duì)速度為3.14 m?s-1時(shí)，兩個(gè)液滴撞擊以后被拉長但并未斷裂，兩個(gè)液滴融合為一個(gè)大液滴。對(duì)比圖2和4可以看出，當(dāng)兩個(gè)液滴的尺寸比比較小時(shí)，兩個(gè)液滴相撞同樣出現(xiàn)液滴融合的現(xiàn)象，但是融合以后的液滴互相拉長，出現(xiàn)很長的啞鈴桿狀，該啞鈴桿斷裂時(shí)產(chǎn)生尺寸很小的液滴。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，兩個(gè)液滴相互撞擊時(shí)，液滴之間的運(yùn)動(dòng)以融合為主。但當(dāng)兩個(gè)液滴撞擊的相對(duì)速度增大到一定程度后產(chǎn)生了液滴拉長斷裂現(xiàn)象，且初始碰撞的相對(duì)速度越大以及液滴的尺寸比越小，兩個(gè)液滴相互碰撞后產(chǎn)生的拉長斷裂現(xiàn)象現(xiàn)象越明顯。

4 碰撞融合振蕩過程研究

無論是否發(fā)生拉長斷裂現(xiàn)象，兩個(gè)液滴相互撞擊后的運(yùn)動(dòng)均以融合運(yùn)動(dòng)為主。無量綱寬長比可以在一定程度上反映兩個(gè)液滴相互碰撞后的運(yùn)動(dòng)情況，是表征液滴間相互碰撞后振蕩運(yùn)動(dòng)特性的重要特征參數(shù)。定義無量綱寬長比 ξ 和無量綱時(shí)間 τ 為：

式中，d為液滴碰撞融合后的徑向?qū)挾?；d0為液滴碰撞融合后的軸向長度，圖5所示為液滴振蕩過程中，寬與長示意圖；t為液滴間相互碰撞后實(shí)際的物理時(shí)間；V0為液滴間相互碰撞的初始相對(duì)速度；d0/V0為特征時(shí)間。

無量綱寬長比取決于液滴間相互碰撞融合以后的徑向長度和軸向長度，但是兩個(gè)液滴的初始尺寸比對(duì)于碰撞融合以后的液滴變形具有很大的影響。因此，首先對(duì)兩個(gè)液滴的初始尺寸比對(duì)碰撞融合后的液滴振蕩運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行分析。圖5是不同初始尺寸比的兩個(gè)液滴以2.93 m?s-1的相對(duì)速度互相碰撞后，無量綱寬長比隨無量綱時(shí)間的變化以及無量綱寬長比最大值隨兩個(gè)液滴初始尺寸比的變化。

對(duì)比液滴尺寸比為2.5和液滴尺寸比為1.8兩種情況，從圖6(a)中可以看到，在Ⅰ區(qū)尺寸比為1.8的兩個(gè)液滴碰撞融合以后振蕩運(yùn)動(dòng)的寬長比大于液滴尺寸比為2.5的兩個(gè)液滴的振蕩運(yùn)動(dòng)，在該區(qū)域中尺寸比為2.5的兩個(gè)液滴的寬長比變化比較平緩；在Ⅱ區(qū)域中，寬長比變化呈現(xiàn)出衰減振動(dòng)趨勢，在該區(qū)域中尺寸比為2.5的液滴振蕩運(yùn)動(dòng)的寬長比明顯大于尺寸比為1.8的液滴的振蕩運(yùn)動(dòng)，而且尺寸比為1.8的兩個(gè)液滴碰撞融合的振蕩運(yùn)動(dòng)的寬長比變化比較平緩；在Ⅲ區(qū)域中，液滴振蕩運(yùn)動(dòng)的寬長比呈現(xiàn)出下降趨勢。從整個(gè)過程中可以看出液滴尺寸比比較大的液滴的振蕩運(yùn)動(dòng)持續(xù)的時(shí)間比較久。

圖5 液滴振蕩過程中寬與長示意圖 Fig.5 Schematic diagram of droplet width and length at oscillation

圖6 液滴尺寸比對(duì)無量綱寬長比和無量綱寬長比最大值的影響 Fig.6 Effects of droplet size ratio on dimensionless aspect ratio and maximum dimensionless aspect ratio

不同初始尺寸比液滴碰撞融合后，液滴無量綱寬長比隨無量綱時(shí)間的增加呈現(xiàn)出振蕩衰減運(yùn)動(dòng)。相比較，兩個(gè)液滴初始尺寸比對(duì)碰撞融合后液滴振蕩運(yùn)動(dòng)無量綱寬長比的峰值以及振蕩運(yùn)動(dòng)持續(xù)的時(shí)間影響十分明顯。

從圖6(b)中可見，液滴碰撞融合后，無量綱寬長比最大值隨液滴初始尺寸比的增加而呈現(xiàn)出遞增的趨勢；但總體上，兩個(gè)液滴的初始尺寸比對(duì)液滴振蕩運(yùn)動(dòng)的無量綱寬長比最大值的影響大。

為了研究不同碰撞速度條件下，同一尺寸比的兩組液滴碰撞融合后，液滴在振蕩運(yùn)動(dòng)過程中無量綱寬長比隨時(shí)間變化過程。圖7給出了兩個(gè)乙醇液滴互相碰撞后，無量綱寬長比隨無量綱時(shí)間的變化及無量綱寬長比最大值隨碰撞相對(duì)速度的變化，無量綱尺寸比為1.8，相對(duì)速度分別為2.92和3.54 m?s-1。

從圖7 (a)中見，隨著時(shí)間增加，不同速度條件下的液滴振蕩寬長比變化規(guī)律基本相同，呈現(xiàn)出振蕩衰減趨勢，而且速度越大，液滴振蕩的寬長比幅值變化越劇烈，速度為2.92 m?s-1時(shí)的兩個(gè)液滴碰撞后，出現(xiàn)的寬長比幅值比速度為3.54 m?s-1的兩個(gè)液滴振蕩后出現(xiàn)的幅值時(shí)間早。從圖7(b)可見，無量綱寬長比的最大值隨著碰撞速度先增加后減小，在碰撞速度達(dá)到 ～3.6 m?s-1時(shí)，液滴振蕩運(yùn)動(dòng)的寬長比達(dá)到最大值，隨后隨著速度的進(jìn)一步增加，寬長比的最大值反而出現(xiàn)了下降的趨勢。初始碰撞的相對(duì)速度較小時(shí)，碰撞相對(duì)速度對(duì)無量綱寬長比的最大值影響相對(duì)較大。初始碰撞相對(duì)速度超過3.6 m?s-1后，由于液滴的動(dòng)能過大，液滴的表面張力不足以消耗多余動(dòng)能，使得液滴在很短時(shí)間里出現(xiàn)了拉伸斷裂，不再繼續(xù)振蕩。

圖7 碰撞的相對(duì)速度對(duì)無量綱寬長比和無量綱寬長比最大值的影響 Fig.7 Effects of relative velocity of collision on dimensionless aspect ratio and maximum dimensionless aspect ratio

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，兩個(gè)液滴初始尺寸比對(duì)無量綱寬長比最大值的影響與初始碰撞速度對(duì)無量綱寬長比最大值的影響結(jié)果是不同的。無量綱寬長比的最大值隨液滴初始尺寸比的增大而增大，而無量綱寬長比的最大值隨初始碰撞速度的增加呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，相對(duì)速度較小才對(duì)無量綱寬長比最大值產(chǎn)生一定作用，初始碰撞相對(duì)速度超過一定值后，由于液滴表面張力的作用使得液滴在很短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了拉伸斷裂。因此，兩個(gè)固定尺寸比的液滴相互碰撞時(shí)無量綱寬長比的最大值存在一個(gè)穩(wěn)定值。

5 碰撞破碎過程研究

5.1 同種物質(zhì)兩液滴間相互碰撞的破碎分析

液滴間相互碰撞的初始相對(duì)速度增大到一定程度后，雖然液滴間碰撞后的主體運(yùn)動(dòng)仍為融合振蕩運(yùn)動(dòng)，但產(chǎn)生一定程度的破碎現(xiàn)象。以下就液滴間相互碰撞時(shí)的破碎運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，并探尋液滴發(fā)生破碎運(yùn)動(dòng)的影響因素，在這過程中用無量綱液滴破碎時(shí)刻T (液滴從開始接觸到破碎所歷經(jīng)的時(shí)間與相機(jī)曝光時(shí)間的比值)表征液滴破碎運(yùn)動(dòng)。

初始碰撞相對(duì)速度是液滴間相互碰撞破碎運(yùn)動(dòng)的重要影響因素。圖8是無量綱尺寸比1.8的液滴以不同初始相對(duì)速度相互碰撞后1.2 ms時(shí)刻運(yùn)動(dòng)形態(tài)的比較。

從圖8可以看到，當(dāng)液滴互相碰撞的初始相對(duì)速度小于3.78 m?s-1時(shí)，兩個(gè)液滴互相碰撞融合以后，液滴主要是拉伸振蕩運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的液滴寬長比變大。而當(dāng)液滴互相碰撞的初始速度超過3.78 m?s-1后，拉伸振蕩運(yùn)動(dòng)過程中液滴中間某個(gè)部位出現(xiàn)一定的凹陷，液滴最終在此處斷裂成若干個(gè)尺寸不均的小液滴。初始撞擊速度越大，液滴拉伸內(nèi)凹產(chǎn)生斷裂的時(shí)刻就越早，也就越容易斷裂。由此可見，在液滴互相碰撞振蕩運(yùn)動(dòng)過程中碰撞的初始速度達(dá)到一定值是液滴拉伸斷裂產(chǎn)生尺寸不均小液滴的先決條件。

圖9是無量綱尺寸比為1.8的兩個(gè)液滴發(fā)生碰撞以后，液滴破碎的最終形態(tài)隨初始撞擊速度的變化。從圖9可見，液滴碰撞破碎后最終形態(tài)隨初始撞擊速度的不同而不同，當(dāng)初始碰撞速度增大到一定程度后，液滴拉伸斷裂產(chǎn)生的小液滴尺寸更加微小。值得注意的是，在較大初始碰撞速度下，液滴破碎方式由原先的拉伸斷裂中間局部位置破碎轉(zhuǎn)變?yōu)橐旱蔚恼w破碎，在這種情況下液滴的表面積變大，破碎得更加徹底。

圖10給出兩個(gè)同種液滴分別在3.08、3.44以及3.77 m?s-1速度條件下產(chǎn)生碰撞破碎時(shí)的破碎時(shí)刻隨無量綱尺寸比的變化關(guān)系曲線。通過曲線可以看出隨著無量綱尺寸比的增加液滴的破碎時(shí)刻逐漸減小，當(dāng)液滴的無量綱尺寸比超過某一值時(shí)，液滴的破碎時(shí)刻又出現(xiàn)增加的趨勢。每一速度條件下液滴都存在一個(gè)無量綱尺寸比使得液滴破碎時(shí)刻最短，即該尺寸比條件下液滴最容易破碎，說明固定速度條件下存在一個(gè)穩(wěn)定的無量綱尺寸比使得液滴發(fā)生破碎。

圖8 不同初始相對(duì)速度互相碰撞時(shí)液滴 在1.2 ms時(shí)刻運(yùn)動(dòng)形態(tài)的比較 Fig.8 Comparison of droplet profiles collided under different initial relative velocities at 1.2 ms

圖9 不同相對(duì)速度互相碰撞時(shí)液滴破碎時(shí)的運(yùn)動(dòng)形態(tài) Fig.9 Comparison of droplet breakage profiles collided under different relative velocities

圖10 無量綱尺寸比對(duì)液滴破碎時(shí)刻的影響 Fig.10 Effects of dimensionless size ratio on dimensionless breakage time

圖11 液滴破碎時(shí)刻隨著速度的變化曲線 Fig.11 Profile of droplet relative velocity as a function of breakage time

圖11給出尺寸比為1.8的兩個(gè)同種液滴之間發(fā)生碰撞后液滴破碎時(shí)刻與破碎速度之間的關(guān)系曲線。從圖11中可以看出液滴破碎時(shí)刻隨著碰撞初始速度的增加而逐漸減小，速度越大液滴振蕩運(yùn)動(dòng)發(fā)生破碎的時(shí)刻越短，即液滴越容易破碎，說明碰撞的初始速度對(duì)于液滴碰撞破碎具有重要影響。

圖12給出的是兩個(gè)同種液滴在碰撞后1.2 ms時(shí)刻發(fā)生破碎運(yùn)動(dòng)時(shí)，液滴破碎速度隨著無量綱尺寸比變化的關(guān)系圖。從圖12中可以看到，液滴破碎時(shí)的無量綱尺寸比隨著碰撞速度的增加而增加。在無量綱尺寸比大于某一個(gè)值后，碰撞破碎所需要的速度產(chǎn)生了一個(gè)突變，即低于該尺寸比時(shí)，液滴破碎所需速度穩(wěn)定增加。

5.2 不同物質(zhì)兩液滴間相互碰撞的破碎分析

液滴振蕩破碎運(yùn)動(dòng)是不同尺寸兩個(gè)液滴之間相互作用的過程。以下采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)無水乙醇液滴、柴油液滴以及AND (二硝酰胺銨NH4N(NO2)2)溶劑液滴分別在相同條件下與無水乙醇液滴發(fā)生碰撞，對(duì)該碰撞運(yùn)動(dòng)過程中涉及的無量綱尺寸比以及碰撞速度進(jìn)行定量研究。表1是3種液體的物性參數(shù)對(duì)照表。

圖12 無量綱尺寸比對(duì)液滴破碎速度的影響 Fig.12 Effects of dimensionless size ratio on droplet breakage speed

表1 不同液體的物性參數(shù) Table 1 Physical properties of different liquids

圖13 不同種類液滴以4.3 m?s-1速度碰撞時(shí)液滴形態(tài)的比較Fig.13 Comparison of droplet morphology when different droplets colliding at a speed of 4.3 m?s-1

圖14 破碎時(shí)刻隨著無量綱尺寸比變化關(guān)系 Fig.14 The relationship between the breaking moment and the dimensionless size ratio

圖13是初始尺寸比為1.8的無水乙醇液滴、柴油液滴和ADN液滴以4.3 m?s-1的初始速度互相碰撞時(shí)液滴形態(tài)的變化歷程。從圖13中可以看到，盡管無水乙醇液滴、柴油液滴以及ADN溶劑液滴3種液體的物性參數(shù)不同，但它們與一定尺寸的無水乙醇液滴互相發(fā)生碰撞后，液滴形態(tài)的變化歷程都基本相同，物性參數(shù)對(duì)液滴互相碰撞形態(tài)的變化無明顯影響。

圖14是3種不同種類的液滴分別與無水乙醇液滴發(fā)生碰撞后液滴破碎時(shí)刻與兩個(gè)液滴的無量綱尺寸比之間關(guān)系。從圖14中可以看到，ADN溶劑液滴與無水乙醇液滴發(fā)生碰撞后形成的液滴最難破碎，兩個(gè)無水乙醇液滴發(fā)生碰撞后形成的液滴在這3種情況下最容易發(fā)生破碎，柴油液滴居于其中。另外無水乙醇液滴最易發(fā)生破碎的無量綱尺寸比最小，說明在一定初始碰撞速度條件下，物性參數(shù)影響不同種液滴碰撞后產(chǎn)生的破碎運(yùn)動(dòng)特性。

圖15是3種不同種類液滴分別與無水乙醇液滴發(fā)生碰撞后液滴破碎時(shí)刻與初始碰撞速度之間的關(guān)系。

圖15 碰撞初始速度隨著破碎時(shí)刻的變化關(guān)系 Fig.15 The relationship between the initial velocity of collision and the moment of brakeage

從圖15可見，初始尺寸比為1.8的柴油液滴和無水乙醇液滴分別與無水乙醇液滴發(fā)生碰撞的破碎時(shí)刻與破碎速度變化曲線走勢基本一致，但是ADN溶劑的液滴與無水乙醇液滴發(fā)生碰撞后破碎時(shí)刻與破碎速度之間的變化曲線稍有偏差。無水乙醇液滴和柴油液滴與相同條件下的無水乙醇液滴發(fā)生碰撞后，破碎時(shí)刻都隨碰撞初始速度的增加而逐漸減小。在同一碰撞速度下，柴油液滴所發(fā)生破碎消耗時(shí)間大于無水乙醇液滴的破碎時(shí)間，即在相同條件下，柴油液滴要比無水乙醇液滴更難發(fā)生破碎。除此之外，表面張力更大的ADN溶劑液滴與無水乙醇液滴發(fā)生碰撞后，碰撞破碎的速度雖然隨破碎時(shí)刻的增加而減小，但是通過曲線的形狀可以看出此時(shí)液滴破碎的速度變化要比前兩種情況下液滴破碎速度變化得劇烈。再次說明了無水乙醇、柴油和ADN溶劑的物性參數(shù)對(duì)液滴之間碰撞破碎運(yùn)動(dòng)的影響很大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液體的物性參數(shù)尤其是表面張力對(duì)液滴之間互相碰撞發(fā)生的破碎運(yùn)動(dòng)具有一定影響。

6 結(jié) 論

通過搭建液滴間相互碰撞的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)液滴間相互碰撞后的融合與破碎進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

(1) 液滴間相互碰撞后主要呈現(xiàn)出融合振蕩與破碎兩種運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

(2) 對(duì)融合振蕩形態(tài)而言，液滴振蕩運(yùn)動(dòng)的無量綱寬長比呈現(xiàn)出振蕩衰減趨勢，兩液滴間的初始無量綱尺寸比越大，融合后液滴振蕩寬長比的最大值越大，而且無量綱寬長比的最大值隨著初始碰撞速度的增加先增加后減小。

(3) 對(duì)破碎形態(tài)而言，兩液滴間的碰撞速度越大，液滴越容易發(fā)生破碎。液滴破碎時(shí)刻隨液滴初始無量綱尺寸比增大而減小，液滴發(fā)生破碎時(shí)所對(duì)應(yīng)的臨界尺寸比隨碰撞速度增加而增加。

(4) 不同種液滴發(fā)生碰撞后，相同條件下ADN溶劑液滴最難發(fā)生破碎，柴油液滴次之，無水乙醇液滴最易，且ADN溶劑液滴破碎所對(duì)應(yīng)的碰撞速度以及臨界無量綱尺寸比最大。