液滴撞擊固體熱表面的研究綜述

王旭東 范欣琪 黎志偉 王逸飛 鄧梓龍

東南大學能源與環(huán)境學院

0 引言

液滴撞擊熱表面現(xiàn)象普遍存在并被廣泛應用于動力機械、材料科學、農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域[1-2]，一方面，液滴沖擊可增強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)，具有易實現(xiàn)、換熱能力強、換熱系數(shù)分布均勻等優(yōu)點。另一方面，液滴碰撞會對一些工業(yè)裝置產(chǎn)生負面影響，如在高速的柴油機或缸內(nèi)直噴的汽油機中，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]。總之，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)象非常復雜，它不僅是一個流體動力學問題，而且還和熱表面物理學有關(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)生強烈的熱、質(zhì)交換[7-10]，導致液滴發(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]。

目前已有的文獻研究主要集中在絕熱沖擊動力學特征上，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行綜述，深入了解液滴撞擊熱表面過程涉及的液滴動力學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)值模擬和實驗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]實驗觀測了單個液滴撞擊不同傾角濕潤表面上的動力學行為，獲得了液滴擴散，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)象的認識仍然欠缺。Wu H 等人[16]實驗觀測了不同 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，他們還通過實驗測定了液滴撞擊溫度高于 Leidenfrost 點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)，不同實驗條件下液滴撞擊熱表面的現(xiàn)象不盡相同。很多學者針對不同的影響因素以及不同的初始條件，通過不同的實驗方法，得到了可靠的結(jié)論，通過數(shù)學模型預測其形態(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對化學非均質(zhì)表面（具有不同潤濕性能）上液滴撞擊和鋪展行為進行了數(shù)值模擬。他們發(fā)現(xiàn)，當非均質(zhì)表面粘滑運動分數(shù) Φlic=0.3 時，撞 擊速度越大，液滴鋪展直徑越大；當 Φlic= 0.7時，會 出現(xiàn)鋪滿現(xiàn)象。此外，粘 滑特性運動只出現(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展半徑變小。當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靜態(tài)前進接觸角的溫度依賴性。當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，液滴擴展速度越快。

2.4 液滴尺寸

大多數(shù)研究表明，當固體表面溫度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)學者通過實驗的方法對其進行了一定的研究，也有少數(shù)學者利用數(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，遠比傳統(tǒng)工質(zhì)沸騰過程復雜。

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-誘導熒光測溫法研究在高于Leidenfros溫度的表面條件下進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測理論模型，考慮到液滴擴散和固體基質(zhì)中熱邊界層的擴展，成功預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雜，在各大領(lǐng)域應用廣泛，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驗，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，從而得出液滴的形態(tài)變化規(guī)律，而也有學者提出利用數(shù)學模型分析液滴擴散規(guī)律，并且與實驗分析吻合度很高。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驗觀察，而很少會通過數(shù)值模擬，因此這方面的工作需要進一步深入。

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，并且建立了很多預測其傳熱特性的模型，成功預測了傳熱系數(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，有助于進一步更加詳細的了解撞擊過程中的具體現(xiàn)象。