液滴碰撞水平壁面實(shí)驗(yàn)研究

李大樹,仇性啟,于 磊,鄭志偉

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266555)

液滴碰撞水平壁面實(shí)驗(yàn)研究

李大樹,仇性啟,于 磊,鄭志偉

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266555)

采用高速攝像儀結(jié)合像素分析法觀測(cè)了液滴碰撞水平干壁面鋪展、收縮、飛濺等動(dòng)力學(xué)形態(tài)變化,并定量獲得了液滴鋪展系數(shù)和鋪展速度隨無(wú)量綱時(shí)間的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:液滴的鋪展系數(shù)和鋪展速度與碰撞速度和液滴初始直徑密切相關(guān),碰撞速度越大,液滴的鋪展系數(shù)和鋪展速度越大,鋪展速度在撞壁初始階段變化明顯,隨時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定;液滴初始直徑越大,鋪展系數(shù)越大,其臨界飛濺速度越小。無(wú)量綱分析得出:液滴的最大鋪展系數(shù)與雷諾數(shù)密切相關(guān),液滴達(dá)到最大鋪展系數(shù)所需無(wú)量時(shí)間與韋伯?dāng)?shù)不相關(guān)。

液滴碰撞;鋪展系數(shù);鋪展速度;碰撞速度

液滴撞壁廣泛存在于化工技術(shù)領(lǐng)域中,如噴霧燃燒,噴霧干燥,旋風(fēng)分離和噴霧冷卻等[1-3]。由于液滴撞壁是多尺度、非線性、強(qiáng)瞬變過程,影響因素眾多,且各參數(shù)之間相互影響[4-5],液滴撞壁機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)液滴撞壁現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究[6-10]。Hung等[6]研究了水滴碰撞石蠟和玻璃壁面,得出了鋪展速度的變化規(guī)律和影響因素; Zhang等[7]得出了表面活性劑對(duì)液滴撞壁運(yùn)動(dòng)形態(tài)存在較大的影響;Cossali等[8]研究了水滴碰撞潤(rùn)濕壁面的運(yùn)動(dòng)形態(tài),得出了不同壁面潤(rùn)濕液膜下液滴撞壁特性的規(guī)律;楊寶海等[3]研究了碰撞速度對(duì)水滴碰撞超疏水壁面的影響規(guī)律。上述研究從液滴運(yùn)動(dòng)形態(tài)變化的角度,揭示了液滴撞壁特性,但大多針對(duì)水滴撞壁進(jìn)行研究,柴油撞壁的文獻(xiàn)較為缺乏。考慮到化工領(lǐng)域中傳熱傳質(zhì)過程多涉及金屬壁面,本文針對(duì)柴油液滴碰撞不銹鋼壁面進(jìn)行研究,建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),分析液滴撞壁的動(dòng)力學(xué)形態(tài)變化,探索液滴直徑和碰撞速度對(duì)撞壁特性的影響。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有最大鋪展系數(shù)解析模型進(jìn)行對(duì)比,提出模型的發(fā)展方向。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 液滴撞壁幾何模型

本文選用0#柴油液滴開展液滴撞壁實(shí)驗(yàn)。圖1是液滴碰撞干壁面幾何模型。定義液滴直徑為D0,碰撞速度為U0,液滴撞壁后的鋪展直徑為Ds,液滴鋪展系數(shù)f＝Ds/D0。柴油液滴的物性參數(shù)及壁面曲率κ見表1,表中T0為溫度,σ為表面張力,μ為黏度,ρ為密度。

圖1 液滴碰撞液膜潤(rùn)濕壁面幾何模型

表1 0#柴油液滴物性

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。液滴受重力的作用在針尖處形成液滴并剝落。液滴的直徑取決于選用針頭的直徑,通過在拍攝區(qū)域放置參照物(已知直徑的剛性小球)進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)中,通過調(diào)整滑動(dòng)支架的高度來(lái)控制液滴的碰撞速度,液滴始終垂直碰撞壁面。

采用德國(guó)Basler公司高速攝像儀,攝像儀與水平面的夾角為15°,拍攝速度為10 000幀/s,圖像分辨率為1024像素×512像素,用背光法進(jìn)行拍攝。像素分析采用Matlab軟件完成。由于液滴近似為橢球形,在測(cè)量液滴直徑時(shí)取液滴的當(dāng)量直徑(Dh2Dv)1/3[10],其中,Dh和Dv,分別是液滴水平直徑和豎直直徑。本文中液滴的初始直徑D0＝2.378～2.69 mm。碰撞速度取液滴接觸壁面前0.5 ms的平均速度,碰撞速度范圍U0＝0.67～2.45 m/s。液滴的溫度與環(huán)境和壁面溫度相同,都是25℃。

2 結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)研究

2.1 不同碰撞速度下液滴撞壁運(yùn)動(dòng)形態(tài)

碰撞速度是影響液滴撞壁特性的重要參數(shù)之一[11],本文取直徑D0＝2.378 mm的柴油液滴以不同碰撞速度沖擊不銹鋼表面,碰撞速度范圍取0.67～3.13 m/s。圖3是液滴碰撞不銹鋼壁面的運(yùn)動(dòng)形態(tài),液滴碰撞速度是0.67 m/s。0 ms是液滴與壁面接觸前最后一幅圖像。可以看出,液滴碰撞壁面后呈鋪展?fàn)顟B(tài),受表面波的作用,液滴呈階梯狀(2 ms)。分析認(rèn)為,液滴與壁面接觸時(shí),會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)波[12]。振動(dòng)波在一定速度范圍內(nèi)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)形態(tài)作用明顯。根據(jù)文獻(xiàn)[12],由毛細(xì)波幅與碰撞速度的關(guān)系可得表面波產(chǎn)生的速度范圍:

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本文中實(shí)驗(yàn)液滴表面波產(chǎn)生的速度范圍是0.2 m/s＜U0＜0.9 m/s,圖3(a)中的液滴的碰撞速度在此區(qū)間內(nèi)。從圖3(a)中可以看出,碰撞初始階段,液滴的慣性力起主導(dǎo)作用,液滴沿壁面呈現(xiàn)出鋪展的狀態(tài)。隨著鋪展的進(jìn)行,慣性力的作用逐漸減小,黏滯力和表面張力的作用不斷增大。在6 ms時(shí),液滴的鋪展直徑達(dá)到最大,此時(shí)液滴邊緣的高度大于液滴中心部分,液滴中心部分可見一凹坑,這是由于液滴鋪展邊緣處在較大的表面張力作用下鋪展速度減小到0,而中心部分液體在慣性力的主導(dǎo)作用下繼續(xù)沿壁面方向鋪展。隨著液滴壁面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的發(fā)展,該凹坑的深度逐漸減小(10.64 ms),經(jīng)過不斷地振蕩(14.64～31.98 ms),最終液滴在壁面穩(wěn)定(41.3 ms)。

增大液滴碰撞速度到1.49 m/s,如圖3(b)所示?？梢钥闯?由于液滴的碰撞速度大于表面波產(chǎn)生的碰撞速度范圍,撞壁過程中表面波作用不再明顯,液滴不再呈階梯狀,液滴撞壁后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本一致,但液滴沿壁面鋪展較快,鋪展直徑較大,液滴最大鋪展直徑出現(xiàn)時(shí)間較早(4.6 ms);液滴碰撞壁面后三相接觸線較為圓滑且沒有產(chǎn)生飛濺液滴。

繼續(xù)增大碰撞速度到2.1 m/s,可以看到液滴撞壁后三相接觸線產(chǎn)生微小的凸起,如圖3(c)所示。從圖3(c)中可以看出,液滴與壁面接觸后,迅速沿壁面鋪展(0.2 ms),1.34 ms時(shí)液滴鋪展邊緣處三相接觸線產(chǎn)生微小凸起。分析認(rèn)為這是由于液滴沿壁面運(yùn)動(dòng)受自由界面垂直方向加速度產(chǎn)生的Rayleigh Taylor不穩(wěn)定性作用,空氣在液滴邊緣處形成不均勻的壓力分布,液滴在此壓力擾動(dòng)作用下沿鋪展方向被壓縮,隨著擾動(dòng)的持續(xù)作用,液滴邊緣振動(dòng)幅度增大,最終導(dǎo)致波紋的產(chǎn)生。隨著液滴的繼續(xù)鋪展,液滴達(dá)到最大鋪展直徑所需時(shí)間(3.35 ms),之后液滴表面表現(xiàn)出明顯的振蕩特性(4.69～16.7 ms),最終達(dá)到穩(wěn)定(17.9 ms)。

圖3 液滴以不同速度碰撞不銹鋼壁面的運(yùn)動(dòng)形態(tài)

繼續(xù)增加液滴碰撞速度到2.45 m/s,液滴碰撞壁面后產(chǎn)生液滴飛濺現(xiàn)象,如圖3(d)所示。從圖3(d)中可以看出,液滴與壁面接觸后,迅速鋪展并產(chǎn)生油花(0.67 ms),這是由于液滴的碰撞速度越大,沖擊動(dòng)能越大,較大的沖擊動(dòng)能足以克服液滴的表面張力作用。當(dāng)油花達(dá)到足夠的高度時(shí),受Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性的作用,斷裂形成小液滴(時(shí)間1.34 ms)。破碎液滴運(yùn)動(dòng)方向與壁面存在小于90°的夾角。隨著液滴繼續(xù)鋪展,液滴最大鋪展直徑達(dá)到最大(時(shí)間2.68 ms)。壁面沉積液膜高度與圖3(c)相比明顯減小,三相線呈現(xiàn)回縮狀態(tài)(時(shí)間6.7～14 ms),三相線回縮動(dòng)力來(lái)自液滴鋪展邊緣慣性力和液膜內(nèi)部毛細(xì)力競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。最終液滴在壁面形成穩(wěn)定的液膜(時(shí)間17.6 ms)。需要指出,當(dāng)液滴的碰撞速度較小(時(shí)間0.67～2.1 m/s)時(shí),沒有觀測(cè)到液滴三相接觸線回縮現(xiàn)象,可見液滴回縮與碰撞速度大小有關(guān)。

繼續(xù)增大碰撞速度到3.13 m/s,如圖3(e)所示,液滴鋪展邊緣微小凸起較多(時(shí)間0.67 ms),產(chǎn)生飛濺液滴較多(時(shí)間1.34 ms),飛濺越遠(yuǎn),而液滴主體的最大鋪展直徑(時(shí)間2.68 ms)與圖3(d)中最大鋪展直徑非常接近,液滴達(dá)到最大鋪展直徑的時(shí)間較早。隨后,三相線開始回縮(時(shí)間3.35～10 ms),最終在壁面形成穩(wěn)定液膜(時(shí)間16 ms)。

2.2 碰撞特征參數(shù)分析

將不同碰撞速度下液滴的鋪展系數(shù)表示成無(wú)量綱時(shí)間t?(t?＝t U/D)的函數(shù),如圖4所示?？梢钥闯?液滴最大鋪展系數(shù)隨著碰撞速度的增加而變大,但達(dá)到最大鋪展系數(shù)所需的無(wú)量綱時(shí)間幾乎不變＝2.6,與Pasandideh-Fard[13]研究得出的液滴碰撞過程中達(dá)到最大鋪展系數(shù)所需的無(wú)量綱時(shí)間與其碰撞速度不相關(guān)的結(jié)論一致。圖5是液滴的最大鋪展系數(shù)隨碰撞速度的變化。碰撞速度為0.67、1.49、2.1、2.45、3.13 m/s的液滴對(duì)應(yīng)的最大鋪展系數(shù)分別是2.62、3.00、3.24、3.41、3.43。液滴碰撞速度較小時(shí),其鋪展系數(shù)與碰撞速度的相關(guān)性較大,隨著碰撞速度的增加,相關(guān)性逐漸減小。將最大鋪展系數(shù)fmax擬合成U0的函數(shù)可得

圖4 不同碰撞速度下液滴鋪展系數(shù)隨無(wú)量綱時(shí)間的變化曲線

圖5 液滴最大鋪展系數(shù)隨碰撞速度的變化曲線

圖6是液滴撞壁鋪展速度Us隨無(wú)量綱時(shí)間的變化曲線,本文定義鋪展速度是液滴三相接觸線隨時(shí)間的變化率。由于實(shí)驗(yàn)拍攝時(shí)間間隔較小,可認(rèn)為液滴單位時(shí)間內(nèi)作勻減速運(yùn)動(dòng)?？梢钥闯?不同碰撞速度的液滴鋪展速度呈指數(shù)遞減規(guī)律,當(dāng)t?大約等于2 時(shí),液滴的鋪展速度降至初始鋪展速度的10%以內(nèi);液滴的碰撞速度越大,其鋪展速度越大,液滴的初始鋪展速度最大。圖7是液滴最大鋪展速度Us,max隨碰撞速度的變化,可以看出,液滴的最大鋪展速度隨碰撞速度近似線性遞增,大約是碰撞速度的3倍。

圖6 不同碰撞速度下液滴鋪展速度隨無(wú)量綱時(shí)間的變化曲線

圖7 液滴最大鋪展速度隨碰撞速度的變化曲線

2.3 不同初始直徑下液滴撞壁運(yùn)動(dòng)形態(tài)

液滴直徑是影響液滴撞壁特性的重要參數(shù),直徑D0分別是2.38、2.50、2.60、2.69 mm的液滴沖擊不銹鋼板的運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行對(duì)比如圖8所示,其中液滴的碰撞速度都是1.49 m/s。

圖8 不同初始直徑的液滴碰撞不銹鋼壁面的運(yùn)動(dòng)形態(tài)

從圖8可以看出,不同初始直徑的液滴撞壁后呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。由于初始直徑較大的液滴的沖擊動(dòng)能較大,液滴鋪展過程中慣性力的作用較大,其鋪展直徑越大。不同直徑液滴的鋪展系數(shù)隨無(wú)量綱時(shí)間的變化見圖9?？梢钥闯?不同直徑液滴的鋪展系數(shù)比較接近,直徑為2.38、2.50、2.60、2.69 mm的液滴相對(duì)應(yīng)的最大鋪展系數(shù)分別為3.00、3.08、3.15、3.30。液滴達(dá)到最大鋪展直徑所需的無(wú)量綱時(shí)間基本相同。由無(wú)量綱時(shí)間表達(dá)式(t?＝t U/D)可得,液滴的直徑越大,達(dá)到最大鋪展系數(shù)所需的時(shí)間越大。圖10是液滴最大鋪展系數(shù)隨液滴直徑的變化曲線,可以看出,液滴的最大鋪展系數(shù)隨液滴初始直接近似線性增加。將最大鋪展系數(shù)fmax擬合成D0的函數(shù)可得

碰撞速度較小的液滴撞壁后,沖擊動(dòng)能主要轉(zhuǎn)換成液滴沿壁面鋪展的慣性勢(shì)能,而碰撞速度較大的液滴撞壁后,沖擊動(dòng)能一部分仍轉(zhuǎn)換成液滴沿壁面鋪展的慣性勢(shì)能,另一部分則克服表面張力做功,產(chǎn)生飛濺的油花。油花達(dá)到足夠的高度時(shí),受Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性的作用,液滴從油花破碎,產(chǎn)生飛濺液滴。可見,液滴撞壁后是否產(chǎn)生飛濺與液滴的碰撞速度密切相關(guān),因此,可以推斷液滴撞壁飛濺存在臨界速度。考慮到不同初始直徑的液滴具有不同的沖擊動(dòng)能和表面張力,因此,不同初始直徑的液滴撞壁飛濺的臨界速度不同。圖11是液滴的臨界飛濺速度Uf隨液滴初始直徑的變化曲線。

圖9 不同D0的液滴鋪展系數(shù)隨無(wú)量綱時(shí)間的變化曲線

圖10 液滴最大鋪展系數(shù)隨液滴直徑的變化曲線

圖11 液滴臨界飛濺速度隨液滴初始直徑的變化曲線

從圖11可以看出,液滴的初始直徑越大,其臨界飛濺速度越小?？梢娭睆皆酱蟮囊旱巫脖诤笤饺菀罪w濺,這是由于,直徑較大的液滴表面張力的作用較小,而液滴的沖擊動(dòng)能較大,因此液滴撞壁后,較大的沖擊動(dòng)能更容易克服液滴的表面張力做功,使得液滴撞壁后產(chǎn)生油花,從而飛濺。

3 無(wú)量綱分析

采用無(wú)量綱參數(shù)研究燃料液滴碰撞特性,選取雷諾數(shù)Re(Re＝ρdUD/μd),韋伯?dāng)?shù)We(We＝ρdU2D/σ)和毛細(xì)數(shù)Ca(Ca＝μdU/σ)進(jìn)行分析,下標(biāo)d表示液滴。表2和表3分別為不同碰撞速度和液滴直徑下的Re、We、Ca值。

表2 不同碰撞速度液滴的無(wú)量綱數(shù)

表3 不同直徑液滴的無(wú)量綱數(shù)

可以看出,液滴的碰撞速度越大,雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)越大,表明液滴的慣性力作用大于黏性力和表面張力作用,可以推斷本文算例中液滴撞壁后的鋪展是主要的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

毛細(xì)數(shù)常用以描述牛頓液滴在不相容連續(xù)相運(yùn)動(dòng)中毛細(xì)作用的大小[14]。從表2可以看出,液滴的碰撞速度越大,毛細(xì)數(shù)越大,表明液滴撞壁過程中表面張力的作用與毛細(xì)作用相比越明顯,可見,液滴的碰撞速度越大,毛細(xì)作用的影響越小。

將不同韋伯?dāng)?shù)下的液滴的鋪展系數(shù)表示成無(wú)量綱時(shí)間的函數(shù),如圖12所示。

圖12 不同韋伯?dāng)?shù)下液滴鋪展系數(shù)t?的變化曲線

從圖12中可以看出,液滴的鋪展系數(shù)隨韋伯?dāng)?shù)的增加而變大,這與上述無(wú)量綱分析結(jié)果一致。液滴的韋伯?dāng)?shù)越大,碰撞過程中慣性力作用越明顯,液滴越容易鋪展。但達(dá)到最大鋪展系數(shù)所需無(wú)量綱時(shí)間幾乎不變,大約是2.6。將液滴的最大鋪展系數(shù)表示成雷諾數(shù)的函數(shù),如圖13所示。可以看出,液滴的最大鋪展系數(shù)與雷諾數(shù)密切相關(guān),液滴的雷諾數(shù)越大,液滴的最大鋪展系數(shù)越大,但當(dāng)雷諾數(shù)大約等于1 700時(shí),液滴的最大鋪展系數(shù)與雷諾數(shù)的相關(guān)性逐漸減小。將最大鋪展系數(shù)fmax擬合成Re的函數(shù)可得

由圖13可以看出,實(shí)驗(yàn)觀測(cè)液滴的最大鋪展系數(shù)與Pasandideh-Fard[13]解析模型值呈相似的變化,但仍存在一定的偏差。產(chǎn)生偏差的原因主要是:黏性耗散沒有考慮傳熱對(duì)邊界層的影響,結(jié)構(gòu)表面內(nèi)侵入流體的黏性耗散沒有考慮。由此可見,液滴流動(dòng)邊界層和結(jié)構(gòu)表面內(nèi)黏性耗散的精確計(jì)算是最大鋪展系數(shù)理論解析模型發(fā)展的方向。

圖13 液滴最大鋪展系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化曲線

4 結(jié)論

(1)隨碰撞速度的增加,液滴接觸壁面后依次呈現(xiàn)出鋪展、邊緣微小凸起和液滴破碎飛濺現(xiàn)象。當(dāng)0.2 m/s＜U0＜0.9 m/s時(shí),表面波的作用明顯,液滴撞壁后呈階梯狀。

(2)碰撞速度越大,液滴的鋪展系數(shù)越大,鋪展速度在撞壁初始階段變化明顯,并隨時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定;液滴的初始鋪展速度隨碰撞速度的增加而變大。

(3)隨著初始直徑的增加,液滴接觸壁面后運(yùn)動(dòng)形態(tài)幾乎不變,但液滴初始直徑越大,鋪展系數(shù)越大,其臨界飛濺速度越小。

(4)液滴的最大鋪展系數(shù)與雷諾數(shù)密切相關(guān),雷諾數(shù)越大,液滴的最大鋪展系數(shù)越大,但當(dāng)雷諾數(shù)大約等于1 700時(shí),最大鋪展系數(shù)與雷諾數(shù)的相關(guān)性逐漸減小。液滴達(dá)到最大鋪展系數(shù)所需的無(wú)量綱時(shí)間與韋伯?dāng)?shù)不相關(guān),所需的無(wú)量綱時(shí)間大約是2.6。

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Research on experiments of droplet impacting on a flat surface

Li Dashu,Qiu Xingqi,Yu Lei,Zheng Zhiwei
(School of Chemical Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266555,China)

A droplet impacting on a flat dry surface is experimentally investigated by using the high speed camera.The phenomenon of spreading,breakup and splashing during droplet impacting are observed.The results show that the spreading coefficient and velocity are closely related to the impacting velocity and initial diameter of droplet;the droplet with lager impacting velocity has larger spreading coefficient and velocity;the maximum spreading velocity appears at the initial stage of impact;the droplet with larger initial diameter has a larger spreading coefficient and smaller critical splashing velocity.The dimensionless analysis shows that the maximum spreading coefficient is closely related to Reynolds number,the dimensionless time of maximum spreading coefficient is uncorrelated to Weber number.

droplet impact;spreading coefficient;spreading velocity;impact velocity

TK42-33

A

1002-4956(2015)4-0066-06

2014-08-04修改日期：2014-10-13

國(guó)家重大科技專項(xiàng)(GZH201200602-01);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2009FM056)

李大樹(1990—),男,山東青島,博士研究生,主要從事燃燒及傳熱技術(shù)研究

E-mail:ls01ax＠163.com

仇性啟(1956—),男,山東青島,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向傳熱、燃燒及節(jié)能技術(shù).

E-mail:apvshi＠upc.edu.cn