液滴沖擊加熱壁面沸騰現(xiàn)象特征分析

梁剛濤，牟興森，郭亞麗，沈勝強(qiáng)，張吉禮（大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實驗室，遼寧 大連 604；大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 604）

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液滴沖擊加熱壁面沸騰現(xiàn)象特征分析

梁剛濤1,2，牟興森1，郭亞麗1，沈勝強(qiáng)1，張吉禮2
（1大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實驗室，遼寧 大連 116024；2大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

摘要：采用高速攝像儀對液滴沖擊加熱壁面過程進(jìn)行實驗觀測，分析了不同實驗流體的沸騰現(xiàn)象特征，探討了中間射流及寶塔狀氣泡的形成機(jī)理。觀測發(fā)現(xiàn)，壁溫高于液體對應(yīng)的Leidenfrost溫度時水滴撞擊后會出現(xiàn)暴沸現(xiàn)象，由于氣泡夾帶伴隨強(qiáng)烈的核化作用，氯化鈉溶液液滴撞擊后可以觀察到中間射流的產(chǎn)生，醇類液滴則發(fā)生完全反彈；壁溫低于Leidenfrost溫度時液滴在加熱壁面會出現(xiàn)泡狀沸騰現(xiàn)象，與半球形氣泡不同，寶塔狀氣泡出現(xiàn)在液膜厚度較大的區(qū)域。此外定量考察了液滴在加熱壁面完全反彈時的最大鋪展因子，發(fā)現(xiàn)鋪展因子僅受Weber數(shù)影響，與文獻(xiàn)結(jié)果比較表明本研究得出的鋪展因子經(jīng)驗公式可較好地預(yù)測液滴在加熱壁面的鋪展尺度。

關(guān)鍵詞：液滴撞擊；加熱壁面；沸騰；鋪展因子；氣泡；成像；測量

2015-10-13收到初稿，2016-02-18收到修改稿。

聯(lián)系人：沈勝強(qiáng)。第一作者：梁剛濤（1986—），男，博士，講師。

Received date: 2015-10-13.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51506023, 51336001), the China Postdoctoral Science Foundation (2015M571303) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Ministry of Education of China (DUT14RC(3)159).

引　言

液滴碰撞熱態(tài)壁面過程普遍存在于工程應(yīng)用中，如水平管降膜蒸發(fā)器中液滴對換熱管表面的沖擊，燃燒室中燃油噴射撞擊壁面，微電子系統(tǒng)、安全滅火系統(tǒng)、軋鋼和金屬鑄造表面冷卻中采用的噴霧冷卻技術(shù)等[1]都涉及液滴碰撞熱壁過程。液滴撞擊高溫壁面時會出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，由于液滴沸騰自身具有一定的復(fù)雜性和不確定性，其蒸發(fā)特征對相關(guān)過程往往有著重要影響，對液滴撞擊加熱壁面的研究一直受到傳熱領(lǐng)域和相關(guān)過程領(lǐng)域科研人員的關(guān)注。對此過程的深入理解往往對相應(yīng)的工程技術(shù)起著決定性的作用，成為工程技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

對液滴撞擊加熱壁面沸騰現(xiàn)象的研究見于Wachters等[2]的研究工作，其中Leidenfrost溫度TL被定義為液滴最大蒸發(fā)時間所對應(yīng)的壁面溫度。當(dāng)壁溫低于TL時，液滴在加熱壁面的主要沸騰模式為核態(tài)沸騰和過渡沸騰，膜態(tài)沸騰則發(fā)生在壁溫高于TL的條件下[3]。Chaves等[4]重點(diǎn)研究了核態(tài)沸騰時液滴內(nèi)部的氣泡特性，發(fā)現(xiàn)氣泡最大直徑隨壁溫升高而增大，隨Weber數(shù)(We)升高而減小，其中We定義為

Nikolopoulos等[5]采用VOF方法對過渡沸騰現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，不考慮粗糙度及固體壁面內(nèi)部熱傳導(dǎo)的影響，假設(shè)氣液界面處于飽和狀態(tài)且壁面溫度恒定，結(jié)果表明過渡沸騰時氣泡內(nèi)部存在氣相渦流，氣泡體積隨壁溫升高而增大。陸規(guī)等[6]實驗指出固體壁面的特性、液滴初始體積等因素對小液滴的沸騰形態(tài)和傳熱影響顯著。Cossali等[7]考察了液滴的二次霧化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)二次液滴可能來源于寶塔狀氣泡頂部的射流，Moita等[8]在其實驗中也觀察到了這種寶塔狀氣泡頂部射流，但是他們并未對寶塔狀氣泡的產(chǎn)生原因做進(jìn)一步解釋。

關(guān)于膜態(tài)沸騰條件下液滴的鋪展過程，液滴與加熱壁面之間往往會形成一個約為30 μm厚度的蒸氣薄膜[9-10]，阻礙液滴與壁面的直接接觸，因此壁面材料對液滴的鋪展特性沒有影響[11]。Karl等[12]的實驗觀測和數(shù)值計算結(jié)果表明液滴最大鋪展因子隨撞擊速度升高或表面張力減小而增大，鋪展因子ds*定義為液滴鋪展直徑ds與液滴直徑ddrop的比值

式中，ds為鋪展液膜與承載壁面之間的接觸直徑，如圖1所示，而不是鋪展液膜兩側(cè)邊緣之間的距離。

圖1　液滴鋪展直徑的定義Fig.1　Drop spreading diameter definition

Negeed等[13-14]實驗考察了膜態(tài)沸騰條件下壁面粗糙度(0.04～10 μm)和氧化層厚度(4～8 μm)對液滴最大鋪展因子的影響規(guī)律，結(jié)果顯示液滴最大鋪展因子隨壁面過熱度增大而減小，壁面粗糙度與氧化層厚度的比值在0.01～1范圍內(nèi)增加時最大鋪展因子增大，壁面粗糙度與氧化層厚度的比值在1～2.5范圍內(nèi)增加時最大鋪展因子減小。Tran等[15]發(fā)現(xiàn)蒸氣膜有一定的潤滑作用，使液滴鋪展得更廣，得出了最大鋪展因子正比于We2/5的結(jié)論，在后來的研究中進(jìn)一步將此結(jié)果修正為We3/10[16]。Chandra 等[17]則指出最大鋪展因子正比于We1/2，而Biance等[18]的結(jié)果為We1/4。Hatta等[19]針對We < 50擬合出了最大鋪展因子d*s-max的經(jīng)驗公式

由上述研究可以看出對膜態(tài)沸騰時液滴最大鋪展因子的探索目前仍沒有得出一致的結(jié)論，有必要對此繼續(xù)進(jìn)行深入的討論。Cossali等[20]實驗研究了膜態(tài)沸騰時液滴的二次霧化過程，指出液滴在光滑壁面霧化得更好，黏度減小時會出現(xiàn)中間射流的現(xiàn)象，其特性與壁面溫度和撞擊速度緊密相關(guān)，壁面粗糙度影響較小，而Tran等[16]的結(jié)果卻顯示液滴撞擊光滑加熱壁面時中間射流不出現(xiàn)。中間射流的產(chǎn)生可能是由于撞擊點(diǎn)迅速產(chǎn)生中央氣泡，隨即產(chǎn)生壓力波引起的，但是他們并沒有給出準(zhǔn)確的實驗驗證。

對加熱壁面上液滴沸騰現(xiàn)象的探索，不同研究者關(guān)注的焦點(diǎn)不同，而且采用的實驗設(shè)備、介質(zhì)、實驗參數(shù)、數(shù)據(jù)處理方式等方面往往都存在較大差異，導(dǎo)致得到不同的結(jié)論。此外，對于一些細(xì)微流動過程，如中間射流、寶塔狀氣泡等，已有研究缺乏對這些現(xiàn)象的機(jī)理性解釋。本研究采用高速攝像儀結(jié)合高精度溫控設(shè)備對液滴撞擊加熱壁面過程進(jìn)行實驗觀測和分析，主要考察不同流體的沸騰現(xiàn)象特征及液滴最大鋪展因子的變化規(guī)律。

1　實驗裝置和方法

液滴撞擊加熱壁面的實驗裝置與撞擊傾斜及彎曲潤濕壁面[21-22]類似，主要設(shè)備為Phantom V12.1高速攝像儀和Tokina微距鏡頭(100 mm，f-2.8)，攝像儀保持水平，此外還包括提供熱源的WXD 1510恒溫加熱儀，功率為600 W。將撞擊平板水平放置于恒溫加熱儀表面，其中撞擊平板為50 mm×50 mm×1.4 mm的不銹鋼板，壁面經(jīng)過打磨，確保粗糙度小于0.05 μm。恒溫加熱儀的加熱面尺寸為100 mm×150 mm，最高加熱溫度可達(dá)450℃，控制精度為±0.1℃。采用Yokogawa 2524點(diǎn)溫計對撞擊點(diǎn)處的壁面溫度進(jìn)行標(biāo)定。在本研究中撞擊板壁面溫度Tw的變化范圍為220～384℃。每次實驗開始前采用去離子水和丙酮清洗撞擊面以確保壁面的清潔。

實驗中產(chǎn)生液滴的針頭內(nèi)徑為0.31 mm，采用水、丁醇、乙醇和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.21%的氯化鈉溶液作為實驗流體，物性參數(shù)、液滴直徑、20℃室溫時的靜態(tài)接觸角和撞擊速度見表1。液滴直徑可由像素分析法得出，測量誤差為0.025 mm，接觸角的測量誤差為1°。撞擊速度取液滴與壁面接觸前0.5 ms內(nèi)的平均速度，精度為±0.05 m·s?1。定義Reynolds 數(shù)Re為

表1　實驗條件Table 1　Experimental conditions

表1對應(yīng)的量綱1參數(shù)范圍見表2。

表2　量綱1參數(shù)范圍Table 2　Range of non-dimensional parameters

2　結(jié)果和分析

2.1液滴沸騰現(xiàn)象

圖2　水滴暴沸Fig.2　Water drop explosive boiling

當(dāng)壁溫為384℃時，水滴撞擊加熱壁面后會出現(xiàn)暴沸的現(xiàn)象，如圖2所示，圖中We為21。圖片中的數(shù)字代表演化時間(單位為ms)，0 ms對應(yīng)液滴與加熱壁面的接觸時刻?？梢钥闯觯?dāng)液滴達(dá)到最大鋪展尺度時，在鋪展液膜中心區(qū)域產(chǎn)生許多向上運(yùn)動的二次液滴(2.8～3.5 ms)，同時液膜開始向內(nèi)回縮，在10.0 ms時發(fā)生反彈。鋪展液膜中心區(qū)域的液體與加熱壁面接觸最早，這部分液體能夠吸收較多的熱量，從而在液滴底部產(chǎn)生小氣泡。隨著液膜厚度的不斷減小，液膜中心區(qū)域的氣泡發(fā)生爆炸，迫使液體向上噴出，形成許多微小的二次液滴。

保持壁溫不變，氯化鈉溶液液滴撞擊加熱壁面時其沸騰現(xiàn)象呈現(xiàn)出不同的特征，如圖3所示，圖中We為22。液滴與壁面接觸后，在頸部區(qū)域迅速產(chǎn)生向四周運(yùn)動的射流，同時液滴內(nèi)部會出現(xiàn)液柱(0.3 ms)。隨著時間的增加，液滴底部沸騰過程變得劇烈，液柱沖出液滴上表面并繼續(xù)向上運(yùn)動，形成中間射流(1.1～3.0 ms)，5.0 ms時在動力學(xué)不穩(wěn)定性作用下破裂成多個小液滴。相比圖2中水滴的暴沸現(xiàn)象，氯化鈉溶液液滴的沸騰現(xiàn)象具有以下兩個特征：溶液液滴產(chǎn)生的二次液滴主要沿徑向運(yùn)動，水滴產(chǎn)生的二次液滴沿豎直方向向上運(yùn)動；溶液液滴撞擊加熱壁面后會出現(xiàn)中間射流現(xiàn)象，水滴撞擊后觀察不到中間射流的產(chǎn)生。

中間射流的產(chǎn)生主要是由兩方面的共同作用造成的。一方面，液滴撞擊加熱壁面后在液-固界面中央會出現(xiàn)氣泡夾帶現(xiàn)象，夾帶氣泡為核化過程提供了基礎(chǔ)，這一點(diǎn)通過Mehdizadeh等[23]的實驗可以得到驗證，同時他們指出壁面溫度和撞擊速度不影響夾帶氣泡的出現(xiàn)。另一方面，由于液滴中含有氯化鈉溶解鹽，進(jìn)一步強(qiáng)化了氣泡核化過程，加上溶液表面張力大，使得小氣泡不易脫離液滴，能量匯集在小氣泡處。在這兩方面因素的共同作用下，加熱壁面與氣泡空間的熱對流大幅增強(qiáng)，在液滴內(nèi)部產(chǎn)生一個向上運(yùn)動的壓力波，推動其上部液體形成液柱，從而進(jìn)一步形成中間射流。降低壁溫時觀察不到液柱及中間射流的產(chǎn)生，這主要是由于氣泡與加熱壁面之間的傳熱量不足以產(chǎn)生壓力波造成的。

圖3　氯化鈉溶液液滴中間射流Fig.3　Central jet of sodium chloride solution drop

在本研究實驗范圍內(nèi)，醇類液滴撞擊加熱壁面后始終出現(xiàn)完全反彈現(xiàn)象。以丁醇為例，圖4為液滴反彈過程，圖中壁溫和We分別為384℃和22。需要指出的是，圖4中的液滴反彈現(xiàn)象不同于液滴撞擊疏水壁面出現(xiàn)的反彈，后者的主要驅(qū)動力由液滴表面能和撞擊能決定，而前者液滴底部液體汽化產(chǎn)生的蒸氣壓同樣有助于液滴從加熱壁面脫離，發(fā)生反彈。

圖4　丁醇液滴完全反彈Fig.4　Full rebound of butanol drop

根據(jù)Gottfried等[24]的研究，水的TL高于飽和溫度150～210℃，而其他液體的 TL高于飽和溫度100～105℃。在本研究中，水、5.21%氯化鈉溶液、丁醇和乙醇在常壓下的飽和溫度分別為100、100.8、117.5和78.4℃，因此圖2～圖4所示沸騰現(xiàn)象均發(fā)生在壁溫高于TL的條件下。當(dāng)壁溫低于TL時，液滴撞擊后會在加熱壁面出現(xiàn)泡狀沸騰現(xiàn)象，如圖5所示，圖中壁溫為220℃，We為21～22。由于壁溫較低，蒸氣壓不足以驅(qū)動液滴脫離壁面，因此整個鋪展液滴都出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，大量的二次液滴從主液滴脫離，這個過程一直持續(xù)到泡狀沸騰結(jié)束。

圖5　液滴泡狀沸騰Fig.5　Bubbly boiling

圖6　泡狀沸騰中的兩種氣泡Fig.6　Two types of bubbles in bubbly boiling

圖6為水滴泡狀沸騰中出現(xiàn)的兩種主要?dú)馀?，圖6(a)為帶有頂端射流的寶塔狀氣泡，圖6(b)為不帶射流的半球形氣泡。實驗中發(fā)現(xiàn)這兩種氣泡的出現(xiàn)帶有一定的隨機(jī)性。分析認(rèn)為，在液膜厚度較大的區(qū)域快速生長的氣泡推動其上部的液體向上運(yùn)動形成射流，構(gòu)成寶塔狀氣泡；而在液膜厚度較小的區(qū)域大部分液體可能會直接形成半球形氣泡，由于液膜太薄，觀察不到射流的出現(xiàn)。氣泡不斷長大，當(dāng)氣泡壓力超過表面張力時兩種氣泡發(fā)生爆炸，形成二次液滴，因此在泡狀沸騰中二次液滴不僅源于寶塔狀氣泡頂端的射流，同時也源于兩種氣泡的破裂。

圖7　壁溫和We對液滴最大鋪展因子的影響Fig.7　Drop maximum spreading factor

2.2液滴最大鋪展因子

圖7為醇類液滴最大鋪展因子d*s-max隨壁溫和We的變化。可以看出，壁溫幾乎不對最大鋪展因子產(chǎn)生影響，這主要是由于壁溫明顯高于TL引起的；隨著We的升高，撞擊能量增加，鋪展因子增大。由圖7還可以看出乙醇和丁醇的最大鋪展因子曲線幾乎重合，可見液體物性對最大鋪展因子影響較小。

在已公開發(fā)表的文獻(xiàn)中[10, 18, 25]，常采用式(5)所示模型預(yù)測液滴的最大鋪展因子

按照上述模型對本研究實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得出液滴最大鋪展因子的經(jīng)驗公式

為了對式(6)進(jìn)行充分的驗證，采用Chaves等[4]、Biance等[18]、Hatta等[19]、Karl等[26]、Chen等[27]的實驗或模擬結(jié)果以及Akao等[25]的經(jīng)驗公式計算結(jié)果與式(6)的計算值進(jìn)行比較，所有數(shù)據(jù)繪入圖8?？梢钥闯?，式(6)與文獻(xiàn)中的實驗及模擬結(jié)果一致性較好；當(dāng)We<50時Akao等[25]的經(jīng)驗公式可較好地預(yù)測液滴的最大鋪展因子，但是當(dāng)We>50時他們的預(yù)測值相對實驗值偏高，并且隨We升高Akao等[25]的預(yù)測結(jié)果與本文預(yù)測結(jié)果的差值逐漸增大。對于高We條件下液滴的鋪展過程，圖8中雖然僅有一個實驗值，但是式(6)相對Akao等[25]的經(jīng)驗公式仍能較好地預(yù)測液滴最大鋪展因子，因此本文得出的最大鋪展因子經(jīng)驗公式優(yōu)于Akao等[25]的經(jīng)驗公式，適用性更廣泛。

圖8　與文獻(xiàn)結(jié)果的比較Fig.8　Comparison with results in literature

3　結(jié)　論

（1）壁溫高于TL時，水滴撞擊加熱壁面后會發(fā)生暴沸，氯化鈉溶液液滴出現(xiàn)中間射流，醇類液滴則發(fā)生完全反彈；壁溫低于TL時，出現(xiàn)液滴泡狀沸騰現(xiàn)象。

（2）中間射流的形成主要是由于氣泡夾帶伴隨溶液強(qiáng)烈的核化作用造成的。

（3）泡狀沸騰中二次液滴源于寶塔狀氣泡頂端的射流及半球形氣泡與寶塔狀氣泡的破裂。

（4）液滴完全反彈時，最大鋪展因子隨We升高而增大，壁溫和流體物性不對其產(chǎn)生影響。

（5）通過與文獻(xiàn)中的結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，本研究得出的最大鋪展因子經(jīng)驗公式可較好地預(yù)測液滴的鋪展尺度，優(yōu)于文獻(xiàn)中的經(jīng)驗公式。

符號說明

a——指數(shù)項

C——常數(shù)項

ddrop——液滴直徑，mm

ds——液滴與壁面的接觸直徑，mm

d*s,d*s-max——分別為液滴鋪展因子和液滴最大鋪展因子

Re——Reynolds數(shù)

TL——Leidenfrost溫度，℃

Tw——壁面溫度，℃

v——撞擊速度，m·s?1

We——Weber數(shù)

μ——液體黏度，Pa·s

ρ——液體密度，kg·m?3

σ——表面張力系數(shù)，N·m?1

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Characteristic analyses of boiling phenomena in process of drops impingement on heated surfaces

LIANG Gangtao1, 2, MU Xingsen1, GUO Yali1, SHEN Shengqiang1, ZHANG Jili2
(1Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education, School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China;2School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)

Abstract:An experimental process of liquid drops impingement on heated surfaces was observed using a high-speed digital camera, for which characteristics of boiling phenomena with different fluids were analyzed, and formation mechanisms of the central jet and pagoda-like bubbles were also discussed. At the surface temperature above the Leidenfrost point when the water drops impingement on the surfaces, a phenomenon of explosive boiling occurred, while that of the central jet happened for the drops of sodium chloride solution due to bubble entrainment with dramatic nucleation, and that of alcohol drops rebound entirely appeared. Otherwise, at the surface temperature below the Leidenfrost point, bubbly boiling was observed, for which different from hemispherical bubbles, pagoda-like bubbles appeared at the thicker film region. Moreover, the maximum spreading factor during drop rebound on heated surfaces was investigated quantitatively, which only can be influenced by the Weber number. Compared with the literatures, the empirical correlation of the spreading factor in this study can well predict the drop spreading scale on heated surfaces.

Key words:drop impact; heated surface; boiling; spreading factor; bubble; tomography; measurement

中圖分類號：O 359+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）06—2211—07

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151549

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51506023，51336001）；中國博士后科學(xué)基金項目（2015M571303）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目（DUT14RC(3)159）。

Corresponding author:Prof. SHEN Shengqiang, zzbshen@dlut.edu.cn