王程遙, 張 魏, 彭 程

(上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

液滴撞擊固體表面的現(xiàn)象非常常見,廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)中,例如噴墨打印、噴霧冷卻、燃燒室燃燒等[1-3]。液滴撞擊固體表面受到液滴性質(zhì)[4]、撞擊速度[5]、撞擊表面[6]和周邊環(huán)境[7]等多種影響因素的共同作用,可能出現(xiàn)鋪展、部分反彈、完全反彈和飛濺等行為特征[8-10]。液滴撞擊壁面是一個(gè)復(fù)雜的多相流過程,涉及了液滴的瞬態(tài)行為、內(nèi)在動(dòng)力學(xué)機(jī)理等關(guān)鍵科學(xué)問題,引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在噴霧冷卻、化學(xué)涂層等領(lǐng)域,液滴在彎曲表面上的撞擊過程通常出現(xiàn)在較小的局部區(qū)域,而球形表面是一種典型的、規(guī)則的曲面,液滴在球面上的碰撞動(dòng)力學(xué)研究對(duì)理解液滴在曲面上的碰撞機(jī)理具有重要意義[11]。

近年來,國內(nèi)外科研工作者對(duì)液滴撞擊固體表面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。CHEN M J等人[12]研究了液滴撞擊后的潤濕過程,對(duì)液滴撞擊平面和傾斜表面時(shí)的三相接觸線和動(dòng)態(tài)接觸角進(jìn)行了觀測,分析了液滴尺寸、表面潤濕性、傾斜角度等因素對(duì)液滴撞擊行為的影響。TABBARA H等人[13]利用數(shù)值模擬方法,模擬了金屬液滴在固態(tài)平面上的撞擊、鋪展和凝固的瞬間過程,研究了增加撞擊速度后金屬凝固過程的變化情況,分析了金屬液滴撞擊時(shí)可能發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。QIN M X等人[14]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同液滴撞擊受熱不銹鋼平面后的鋪展和彈跳過程,分析了韋伯?dāng)?shù)和萊頓弗羅斯特溫度點(diǎn)對(duì)液滴撞擊行為的影響。ZHU Y等人[15]用數(shù)值模擬方法研究了液滴撞擊球體的問題,發(fā)現(xiàn)液滴鋪展階段慣性力處于主導(dǎo)地位,并對(duì)球面上液膜的厚度進(jìn)行了預(yù)測,且預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。HAO J G[16]研究了表面粗糙度對(duì)液滴撞擊產(chǎn)生飛濺的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,粗糙度略微增大時(shí)會(huì)顯著增強(qiáng)prompt飛濺和corona飛濺,而粗糙度明顯增大時(shí)會(huì)促進(jìn)prompt飛濺并抑制corona飛濺,而粗糙度略微增大會(huì)增強(qiáng)飛濺的原因是潤濕面積隨著表面粗糙度的增大而減小。IKALO等人[17-19]系統(tǒng)性地研究了水和甘油液滴以不同角度撞擊不同材質(zhì)固體表面后的行為特征,定性分析了各因素對(duì)液滴撞擊行為的影響。

目前,大部分的研究仍著眼于液滴撞擊平面,而實(shí)際過程中撞擊面多為帶有一定曲率的球面,考慮到實(shí)際應(yīng)用,本文搭建了可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)液滴撞擊球面的動(dòng)力學(xué)行為開展實(shí)驗(yàn)研究,觀測液滴以不同撞擊速度(0.46 m/s,0.79 m/s,1.08 m/s)撞擊不同直徑(8 mm,14 mm,20 mm)的疏水球面,定量表征液滴撞擊過程的動(dòng)態(tài)行為,并分析液滴撞擊速度和液滴-球體直徑比對(duì)液滴撞擊行為特征的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

液滴撞擊球面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、高速攝像機(jī)、光源、注射泵、注射器、可調(diào)節(jié)高度鐵架臺(tái)和不同直徑疏水表面球體組成,具體如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)時(shí)由注射泵推動(dòng)注射器產(chǎn)生液滴,液滴自由落體撞擊目標(biāo)球體,高速攝影機(jī)拍攝畫面后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后處理圖片,抓取數(shù)據(jù)。液滴撞擊速度由調(diào)節(jié)掉落高度來控制。不同直徑疏水球體是將玻璃球經(jīng)過表面處理后得到,制備得到的球面靜態(tài)接觸角為105°±3°,屬于疏水表面。實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)表征如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)各參數(shù)

選取液滴下降過程中最臨近撞擊時(shí)刻的連續(xù)相鄰2張圖片,如圖2(a)所示。根據(jù)幀率計(jì)算連續(xù)相鄰2張圖片的時(shí)間間隔,記為Δt,液滴中心點(diǎn)在Δt內(nèi)下降的高度記為Δx,液滴速度v的計(jì)算公式為

(1)

取相同工況下多次實(shí)驗(yàn)測得速度的平均值,可認(rèn)為是液滴撞擊時(shí)的真實(shí)速度。

在液滴撞擊固體表面的過程中,液滴的鋪展因子是表征液滴鋪展行為的重要參數(shù),其計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中:D*——液滴無量綱鋪展因子;

d——液滴在疏水球面上的鋪展直徑,即液滴在球面上所鋪展的弧長;

d0——液滴當(dāng)量直徑[20];

DV,DH——液滴豎直直徑和水平直徑。

DV和DH如圖2(b)所示。經(jīng)過多次測量取平均值,實(shí)驗(yàn)中液滴當(dāng)量直徑為2.04 mm。液滴無量綱中心高度h*是另一個(gè)表征液滴鋪展行為的重要參數(shù),其計(jì)算公式為

(4)

式中:h——液滴中心高度。

h如圖2(c)所示。另外,無量綱時(shí)間定義t*為

(5)

式中:t——液滴撞擊時(shí)間,液滴與表面接觸時(shí)t=0。

液滴-球體直徑比ε為

(6)

式中:D——撞擊球體直徑。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 液滴撞擊過程動(dòng)態(tài)行為研究

為研究液滴撞擊疏水球面后的動(dòng)態(tài)行為特征,本文通過將液滴以不同速度撞擊球體和相同直徑液滴撞擊不同直徑球面開展了實(shí)驗(yàn)研究。圖3給出了液滴撞擊疏水球面的動(dòng)態(tài)演化過程(v=0.79 m/s,ε=0.30)。圖4是此工況下液滴撞擊疏水球面行為特征的變化趨勢。

圖3 液滴撞擊疏水球面的動(dòng)態(tài)演化過程

圖4 液滴撞擊疏水球面行為特征的變化趨勢

液滴撞擊疏水球面后的行為大致可分為鋪展、回縮和振蕩-穩(wěn)定3個(gè)階段。鋪展階段從液滴下端接觸球面開始,液滴達(dá)到最大鋪展結(jié)束。達(dá)到最大鋪展同時(shí)回縮階段開始,當(dāng)液滴鋪展因子進(jìn)行最大幅度縮小后且尚未重新增大時(shí),回縮階段結(jié)束。振蕩-穩(wěn)定階段液滴持續(xù)小幅振蕩并最終趨于靜止。當(dāng)t*=0時(shí),液滴與球面發(fā)生撞擊,以撞擊點(diǎn)為圓心向四周鋪展,在鋪展早期液滴上端依然保持球狀,在較短時(shí)間內(nèi)球面出現(xiàn)表面波且呈階梯狀。隨著鋪展的進(jìn)行,液滴中心高度逐漸降低,從凸起最終變?yōu)榘枷?。最終液滴鋪展因子達(dá)到最大值,D*=1.81,此時(shí)液滴中心高度低、邊緣高,液滴中心出現(xiàn)空氣柱,變?yōu)榄h(huán)狀液滴,如圖3(t*=1.60時(shí))所示。此時(shí),圖4中液滴無量綱鋪展因子D*最大,液滴無量綱中心高度h*最小。這是由于邊緣液滴的動(dòng)能已經(jīng)耗盡,而中心液滴在動(dòng)能的驅(qū)使下依然向四周擴(kuò)散,導(dǎo)致中心液量減少從而凹陷。液滴鋪展因子達(dá)到最大值后,液滴的鋪展階段結(jié)束,回縮階段開始。在液滴表面能的作用下液滴回流,中心部位重新升高,h*由0.29增大到0.58,從凹陷轉(zhuǎn)為凸起,直到液滴中心高度達(dá)到最大值。此時(shí)液滴鋪展因子在回縮狀態(tài)下可達(dá)到最小值,D*=1.09,液滴回縮階段結(jié)束。之后液滴會(huì)經(jīng)歷多次的鋪展-回縮的振蕩周期,并最終趨于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。這就是振蕩-穩(wěn)定階段。在此階段,液滴鋪展因子小于鋪展階段結(jié)束時(shí)的最大值,大于回縮狀態(tài)結(jié)束時(shí)的最小值,波動(dòng)幅度逐漸減小趨于穩(wěn)定,回縮時(shí)的液滴中心高度小于最大值且隨時(shí)間逐漸降低。由圖4可知,經(jīng)過多次振蕩后,液滴固液氣三相接觸線不再移動(dòng),液滴鋪展因子穩(wěn)定時(shí),D*=1.22,液滴上端振動(dòng)幅度逐漸減小但振蕩時(shí)間長于三相接觸線,液滴中心高度遲于液滴鋪展因子達(dá)到穩(wěn)定,穩(wěn)定時(shí)液滴中心高度為h*=0.40。最終液滴靜止在球面上呈橢球狀,達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 撞擊速度對(duì)液滴撞擊行為特征的影響

撞擊速度對(duì)液滴撞擊疏水球面后的行為特征有著明顯的影響。圖5給出了液滴以不同速度撞擊相同直徑疏水球面的動(dòng)態(tài)演化過程(ε=0.11)。圖6是不同速度下液滴撞擊疏水球面行為特征的變化趨勢。

圖5 液滴以不同速度撞擊疏水球面的動(dòng)態(tài)演化過程

圖6 液滴以不同速度撞擊疏水球面特征的變化趨勢

圖5中,第1～3張為液滴的鋪展階段,第4～5張為回縮階段,第6張為穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6(a)可知,液滴中心高度在撞擊后經(jīng)過多次振蕩,振蕩幅度隨撞擊時(shí)間的增大而減小。由圖6(b)可知:液滴鋪展因子在液滴撞擊球面后迅速增大,達(dá)到最大值后減小并最終趨于穩(wěn)定;液滴鋪展因子最大值與速度成正比,撞擊速度越大,鋪展因子最大值就越大,撞擊速度分別為0.46 m/s,0.79 m/s,1.08 m/s時(shí),鋪展因子最大值分別為1.43,1.85,2.16;而不同撞擊速度的液滴最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)鋪展因子較為接近,D*的波動(dòng)范圍在1.13～1.18,表面液滴動(dòng)能對(duì)液滴的最終狀態(tài)沒有明顯影響。對(duì)比圖6(a)和圖6(b)可以發(fā)現(xiàn):固液氣三相接觸線的穩(wěn)定要早于上層液滴的穩(wěn)定;不同撞擊速度時(shí),液滴鋪展因子達(dá)到最大值的無量綱時(shí)間較為接近,因此鋪展速度隨撞擊速度的增大而增大,且速度變化對(duì)鋪展時(shí)間影響較小;液滴撞擊速度增加時(shí),液滴慣性力增大,帶來的動(dòng)能增大,液滴鋪展因子最大值增大,需要克服液滴黏性耗散所需的能量也增大;動(dòng)能轉(zhuǎn)變而來的表面能也增大,回縮階段的液滴中心高度隨之增加。

2.3 液滴球體直徑比對(duì)液滴撞擊行為的影響

圖7為撞擊速度v=0.79 m/s時(shí),液滴撞擊不同直徑疏水球面的動(dòng)態(tài)演化過程。圖8為其動(dòng)態(tài)演化過程中液滴撞擊不同直徑的疏水球面行為特征的變化趨勢。

圖7 液滴撞擊不同直徑疏水球面的動(dòng)態(tài)演化過程

圖8 液滴撞擊不同直徑疏水球面行為特征的變化趨勢

由圖8(a)可知,液滴中心高度經(jīng)歷多次振蕩后趨于穩(wěn)定,撞擊速度v相同、液滴-球體直徑比ε不同時(shí),振蕩周期和幅度都接近。由圖8(b)可知:撞擊速度v相同、液滴-球體直徑比ε不同時(shí),液滴撞擊球面鋪展直徑最大值與液滴-球體直徑比ε呈反比,ε增大時(shí),液滴鋪展直徑最大值小幅減小,ε為0.11,0.17,0.30時(shí),D*分別為1.81,1.85,1.86;隨著液滴-球體直徑比ε的增大,液滴各階段持續(xù)時(shí)間減少,振蕩穩(wěn)定階段振蕩幅度增大;液滴-球體直徑比ε不同時(shí),液膜在球面上最終穩(wěn)定的鋪展因子接近,說明液滴撞擊球面后,最終穩(wěn)定附著在球面的潤濕面積差異較小。因此,液滴-球體直徑比ε增大對(duì)液滴撞擊過程起到了促進(jìn)的作用,各階段持續(xù)時(shí)間小幅度縮短,除此之外,并無明顯影響。

3 結(jié) 論

本文搭建了可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),制備了靜態(tài)接觸角為105°±3°的疏水球面,開展了液滴撞擊疏水球面動(dòng)力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究,得到以下主要結(jié)論。

(1) 液滴撞擊球面可分為鋪展、回縮和振蕩-穩(wěn)定3個(gè)階段。在鋪展階段,液滴鋪展因子達(dá)到最大值后回縮,液滴中心高度達(dá)到最大值后液滴進(jìn)入振蕩-穩(wěn)定階段;液滴在鋪展和回縮階段表面有表面波生成,呈現(xiàn)階梯狀;三相接觸線較上層液滴更易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),即固液接觸面穩(wěn)定后氣液接觸面仍將保持一段時(shí)間的振蕩狀態(tài)。

(2) 隨著液滴撞擊速度的增大,液滴慣性力增強(qiáng),液滴鋪展因子和中心高度的最大值均增大,達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間變長;不同撞擊速度時(shí),液滴鋪展因子達(dá)到最大值所需的時(shí)間接近,因此撞擊速度對(duì)鋪展因子達(dá)到最大值時(shí)間影響較小。

(3) 液滴-球體直徑比對(duì)液滴撞擊行為特征影響較小。液滴以相同速度撞擊不同直徑球體,鋪展因子最大值和穩(wěn)定后鋪展因子均接近,且與液滴-球體直徑比各階段持續(xù)時(shí)間呈反比。