親水與超疏水高溫球體入水空泡實驗研究

李佳川， 魏英杰， 孫 釗， 王 聰

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院， 哈爾濱 150001； 2. 上海航天控制技術(shù)研究所， 上海 200233；3. 上海市空間智能控制技術(shù)重點實驗室， 上海 200233)

運動體沖擊液面進(jìn)入液體的過程中會發(fā)生復(fù)雜的流動現(xiàn)象，并伴隨有噴濺和空泡的形成。入水問題與航空航天、航海和軍事應(yīng)用息息相關(guān)[1-3]。入水空泡的存在會對空投魚雷、入水導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)和彈道特性產(chǎn)生很大的影響，因此入水空泡問題一直受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

Worthington等[4]利用閃光照相機首次得到了噴濺和空泡圖像，分析了速度，液體黏度、密度、表面張力等因素對噴濺特性的影響。May[5]研究了球體表面特性對入水空泡的影響，結(jié)果表明表面被污染的球體相比于表面光潔的球體可以在較小的入水速度下形成空泡。近年來運動體的表面潤濕性對入水問題的影響逐漸得到關(guān)注。Duez等[6]結(jié)合實驗和理論研究，推導(dǎo)出可以形成空泡的臨界速度與球體表面潤濕性的關(guān)系式。Duclaux等[7]對疏水性球體入水空泡的演化過程進(jìn)行了理論推導(dǎo)，得到的空泡深閉合位置與實驗結(jié)果有較好的一致性。孫釗等[8]采用VOF多相流模型對親水性及疏水性球體的入水空泡特性進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果有較好的一致性，研究結(jié)果表明親水性球體在下落過程中受到的阻力較小。

目前僅有少數(shù)學(xué)者研究球體溫度對入水空泡形成及形態(tài)特性的影響。Marston等[9]采用相比于水具有較低沸點和汽化潛熱的氟化液體，研究了溫度對空泡形成的影響，結(jié)果表明當(dāng)球體溫度遠(yuǎn)高于氟化液體沸點時，落入液體后球體周圍形成一層由膜態(tài)沸騰產(chǎn)生的穩(wěn)定蒸汽膜，并使球體可以在較低速度下形成具有光滑壁面的空泡。李佳川等[10]開展了不同溫度球體垂直入水實驗研究，結(jié)果表明，隨著溫度的變化，球體與周圍水之間的傳熱方式與傳熱強度發(fā)生改變，汽化產(chǎn)生的汽泡擾動或穩(wěn)定的蒸汽層改變了球體周圍水的流動狀態(tài)，從而影響了空泡的生成和形態(tài)。

本文對高溫親水性與超疏水性球體入水空泡的演化特性進(jìn)行了實驗研究，首次研究了球體表面潤濕性與溫度的耦合作用對入水空泡形態(tài)特性的影響。本文首先對比了室溫環(huán)境下，親水球體和超疏水球體的入水空泡形態(tài)，然后進(jìn)行了親水性與超疏水性高溫球體水中靜止冷卻過程沸騰形態(tài)特性實驗研究，最后采用高、低兩種溫度水，研究了親水性與超疏水性球體在核態(tài)沸騰和膜態(tài)沸騰階段的入水空泡形態(tài)特性，分析了水溫、球溫、入水速度和表面潤濕性對入水空泡形態(tài)特性的影響。

1 實驗系統(tǒng)及方法

試驗裝置示意如圖1所示。球體為未經(jīng)處理的Gcr15軸承鋼，直徑D0=20 mm，密度ρs=7 810 kg/m3，由制造商給出的球體平均粗糙度為Ra<0.06 μm。實驗前先后用酒精和水對球體表面進(jìn)行清洗，以排除表面玷污對實驗的影響。水箱由鋼化玻璃與耐熱玻璃膠制成，高度為60 cm，截面尺寸為30 cm×30 cm，底部鋪有耐熱緩沖膠墊以防止球體沖擊和高溫?fù)p壞底部玻璃。為防止水面噴濺對拍攝產(chǎn)生影響，實驗過程中水面高度保持在50 cm。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

用加熱設(shè)備加熱水箱中的水，并用攪拌棒進(jìn)行攪拌，使水溫均勻。用馬弗爐將球體加熱到指定溫度并維持40 min以上，當(dāng)水溫達(dá)到指定溫度后，將球體取出放置在電磁釋放裝置上并立即進(jìn)行入水實驗。實驗所采用的水溫為Tw=28°C和95°C，球體的初始溫度Ts=28°C～350°C，實驗期間室溫為28°C±2°C。

實驗采用Photron FASTCAM SA-X型高速攝像機對球體入水現(xiàn)象進(jìn)行拍攝，拍攝幀率為5 000 fps。實驗中使用一組6×500 W的點陣光源通過柔光屏散射后照射水域，以達(dá)到均勻的背景光照環(huán)境，部分實驗采用前照燈，來觀察入水后球體表面的流動狀況。通過處理圖像數(shù)據(jù)可以得到入水速度U0。為保證實驗的可重復(fù)性，每組實驗均進(jìn)行兩次以上。

超疏水性球體采用商業(yè)涂層溶劑(Glaco Mirror Coat “Zero”, Soft 99 Co.)進(jìn)行制備。先后用水和酒精清洗球體表面，待球體表面自然干燥后向球體傾倒涂層溶劑，一薄層液體將球體潤濕，并在一分鐘內(nèi)干燥，在300°C溫度下加熱球體半個小時，并重復(fù)這個過程3～4遍。球體可以保持其超疏水性直至溫度到達(dá)400°C。圖2為超疏水球體制備前后表面液滴形態(tài)圖。其中制備前液滴與球體表面的接觸角約為30°，表現(xiàn)為親水性，制備后液滴與球體表面的接觸角約為160°，表現(xiàn)為超疏水性。

(a) 親水球體

(b) 超疏水球體圖2 親水性與超疏水性球體表面水滴形態(tài)Fig.2 Water droplet shape on the surface of hydrophilic and superhydrophobic spheres

2 室溫球體入水空泡形態(tài)

Duclaux等提出，當(dāng)入水速度超過臨界速度時，球體會產(chǎn)生入水空泡，低于這個臨界速度時球體將無法形成入水空泡。圖3所示為親水性球體入水形態(tài)，球體溫度與水溫均為室溫(28℃)。當(dāng)入水速度較低時無空泡產(chǎn)生(圖3(a))，液面以上僅有一段細(xì)小的水柱隆起，當(dāng)入水速度較高時，有較完整的入水空泡形成(圖3(b))，將球體的后半部分完全包裹。球體撞擊水面瞬間，有一層較薄的濺水膜產(chǎn)生，濺水膜的運動方式?jīng)Q定著入水空泡能否形成。如圖3(c)所示，濺水膜緊貼球體表面運動，球體將無法形成入水空泡，圖3(d)所示，濺水膜在撞水后與球體表面發(fā)生分離，空氣進(jìn)入濺水膜與球體之間的空隙隨著球體一同向下運動，形成入水后的空泡，黑色箭頭所示為該時刻濺水膜在球體表面運動的末端位置。

U0=3.4 m/s(a)U0=5.6 m/s(b)

U0=3.4 m/s(c)U0=5.6 m/s(d)

圖3 親水球體入水形態(tài)

Fig.3 Water-entry characteristics of hydrophilic spheres

Duez等的研究表明，球體入水空泡臨界速度的大小與球體表面的潤濕性有關(guān)，球體表面疏水性越高，入水空泡臨界速度就越低，當(dāng)球體表面為超疏水性時，及疏水角大于150°時，臨界速度逐漸趨于0。圖4所示為不同入水速度條件下超疏水表面球體的入水空泡形態(tài)對比，球體溫度與水溫均為室溫(28℃)。圖4(a)～4(d)為深閉合時球體入水空泡形態(tài),圖4(e)～4(f)由于拍攝視場的限制，展示的為與圖4(d)相同入水深度的空泡形態(tài)。可以看到相比于圖3所示的親水性球體，超疏水性球體可以在極低的入水速度條件下形成入水空泡，親水性球體空泡壁面比較粗糙，疏水性球體空泡壁面比較光滑。

3 高溫球體水中冷卻形態(tài)

將加熱到350°C的球體，快速放置在電磁裝置上，將球體緩慢地浸入95°C水中并保持靜止，進(jìn)行高溫球體水中自然冷卻實驗，圖5所示為親水性與超疏水性高溫球體在95°C水中冷卻過程沸騰形態(tài)。在球體浸入水中的初始階段，由于球體壁面溫度較高，球體周圍汽化成的水蒸汽快速匯聚在一起，在球體表面形成一層蒸汽膜，球體處于膜態(tài)沸騰階段。由于水蒸汽的傳熱能力遠(yuǎn)小于水，球體與周圍水的熱量傳遞較弱，因此該沸騰階段進(jìn)行得比較平緩。蒸汽膜在浮力的作用下向上運動，使蒸汽膜表面發(fā)生波動，并在球體頂部形成蒸汽堆積，隨著時間的增加，波動與堆積現(xiàn)象減弱。對于親水性球體，如圖5(a)所示，隨著時間的增加，球體表面溫度降低，當(dāng)達(dá)到25.3 s時，球體表面溫度無法維持蒸汽膜，蒸汽膜發(fā)生破裂，沸騰現(xiàn)象比較劇烈，此后球體與周圍水直接接觸，進(jìn)入核態(tài)沸騰階段，當(dāng)達(dá)到37.3 s時，沸騰現(xiàn)象基本消失。對于超疏水性球體，如圖5(b)所示，球體的整個沸騰過程均處于膜態(tài)沸騰階段，在球體冷卻過程的初始階段，較高的壁面溫度使蒸汽膜維持在球體周圍，當(dāng)壁面溫度逐漸降低時，球體表面的疏水特性維持著蒸汽膜，在蒸汽膜逐漸變薄并消失的整個過程中，蒸汽膜均沒有發(fā)生破裂，沸騰過程進(jìn)行得比較平穩(wěn)。

U0=0.3 m/s(a)U0=0.6 m/s(b)U0=0.8 m/s(c)

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

圖4 不同入水速度超疏水球體入水空泡形態(tài)

Fig.4 Cavity characteristics of superhydrophobic spheres at different impact velocities

圖6所示為加熱到350°C的親水性與超疏水性球體在28°C水中的沸騰形態(tài)，其中圖6(a)對應(yīng)的浸入水中的時刻為2 s，圖6(b)對應(yīng)的浸入水中的時刻為10 s。對于親水性球體，由于水的溫度較低，汽化的強度較弱，生成的汽泡較小，在球體表面汽化生成的水蒸汽難以匯聚在一起形成蒸汽膜，因此球體浸入水中后立即進(jìn)入如圖6(a)所示的核態(tài)沸騰階段。對于超疏水性球體，由于表面微觀特性的影響，表面結(jié)構(gòu)貯存有空氣，僅有小部分面積與水實際接觸，汽化的汽泡與留有的空氣混合在一起較易形成蒸汽膜，蒸汽膜的存在使光線發(fā)生折射，使球體看起來比實際小，圖6(b)黑色箭頭端所示為顯示出的球體外表面。350°C超疏水性球體，在28°C水中的整個冷卻過程與如圖5(b)所示的95°C水中一樣，均不存在蒸汽膜的破裂過程，與95°C水中相比，在28°C水中，由于水溫較低生成的蒸汽較少，蒸汽膜較薄，蒸汽膜表面不存在波動，且在球體頂端匯聚的蒸汽較少。

(a) 親水球體

(b) 超疏水球體圖5 350°C親水性與超疏水性球體95°C水中冷卻過程沸騰形態(tài)Fig.5 Boiling characteristics during cooling process of 350°C hydrophilic and superhydrophobic spheres in 95°C water

(a) 親水球體(b) 超疏水球體

圖6 350°C親水性與超疏水性球體28°C水中沸騰形態(tài)

Fig.6 Boiling characteristics of 350°C hydrophilic and superhydrophobic spheres in 30°C water

4 95°C水中高溫球體入水空泡形態(tài)

圖7所示為不同入水速度200°C的親水性球體落入95°C水中的入水空泡形態(tài)。將球體加熱到200°C，球體入水后發(fā)生核態(tài)沸騰，不斷有汽泡在球體周圍產(chǎn)生。李佳川等[10]的研究表明，擾動的汽泡增強了球體表面流動的湍動性，使球體在較小速度下可以形成入水空泡。如圖7(a)所示，相比于圖3(a)所示的室溫球體，200°C親水球體在較小的速度下便形成了完整的入水空泡。與超疏水性室溫球體低速入水形成的光滑空泡壁面不同，200°C的親水性球體形成的空泡壁面由于汽泡的擾動變得比較粗糙，且隨著入水速度的增加，擾動逐漸增強。當(dāng)速度達(dá)到5.6 m/s時，如圖7(c)所示，汽泡波動較強，在水力作用下，空泡壁面隆起部分向上傳遞。

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

圖7 95°C水中200°C親水性球體入水空泡形態(tài)

Fig.7 Cavity characteristics of hydrophilic spheres at 200°C withTw=95°C

圖8所示為不同入水速度350°C的親水性球體落入95°C水中的入水空泡形態(tài)。如圖8(a)所示，將球體加熱到350°C，在1.2 m/s入水速度條件下形成了類似于常溫超疏水性球體入水時形成的光滑空泡。一滴液滴沖擊固體壁面，如果壁面是疏水的，液滴撞擊后會發(fā)生反彈。Biance等[11]的研究指出，當(dāng)液滴沖擊溫度足夠高的固體壁面時，在液滴與壁面之間會形成較薄的一層蒸汽膜，這層蒸汽膜會使液滴撞擊后發(fā)生反彈。因此，膜態(tài)沸騰階段的蒸汽膜可能與疏水性具有相同的特性。從Quéré[12]的研究中可以發(fā)現(xiàn)，液滴與300°C金屬板之間的接觸角約為160°，進(jìn)一步證明了膜態(tài)沸騰階段產(chǎn)生的蒸汽膜具有疏水特性。從圖7(a)到圖8(a)親水性球體產(chǎn)生的入水空泡隨著溫度的升高變得光滑，說明沸騰階段從核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)化為膜態(tài)沸騰，一層穩(wěn)定的蒸汽膜在球體表面生成。

使液滴反彈所需要的固體壁面的最低溫度稱為Leidenfrost溫度，此時汽化產(chǎn)生的蒸汽壓力剛好可以克服液滴的動態(tài)壓力。類似的情況，如圖8(a)所示，蒸汽膜的壓力可以克服球體下落過程中受到水的動壓，隨著入水速度的升高，蒸汽膜受到水的動壓增大，無法維持穩(wěn)定，如圖8(b)，(c)所示，不穩(wěn)定的蒸汽膜使空泡壁面受到擾動，形成不穩(wěn)定的入水空泡。

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

圖8 95°C水中350°C親水性球體入水空泡形態(tài)

Fig.8 Cavity characteristics of hydrophilic spheres at 350°C withTw=95°C

圖9所示為不同入水速度150°C的超疏水性球體落入95°C水中的入水空泡形態(tài)?？梢钥吹?，相比于圖4所示的室溫情況，球體周圍的汽泡使光滑的空泡壁面產(chǎn)生褶皺，這種空泡壁面與150°C親水球體產(chǎn)生的粗糙空泡壁面不同(其中150°C親水球體產(chǎn)生的空泡與圖7所示200°C親水球體產(chǎn)生的空泡類似，僅是沸騰現(xiàn)象較弱)。說明150°C的超疏水性球體入水空泡形態(tài)受疏水性和溫度兩個條件的耦合影響。

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

圖9 95°C水中150°C超疏水性球體入水空泡形態(tài)

Fig.9 Cavity characteristics of superhydrophobic spheres at 150°C withTw=95°C

圖10所示為不同入水速度200°C的超疏水性球體落入95°C水中的入水空泡形態(tài)。從圖9到圖10，隨著溫度的升高，球體再次變得光滑，因為球體沸騰進(jìn)入了膜態(tài)沸騰階段，傳熱強度減弱，沸騰現(xiàn)象變得平穩(wěn)，穩(wěn)定的蒸汽膜具有和疏水性相類似的性質(zhì)。如圖8(a)所示，親水性球體在350°C較高溫度且入水速度較低的情況下才能夠形成穩(wěn)定的蒸汽膜并產(chǎn)生光滑的入水空泡。相比之下超疏水性球體在200°C的較低溫度下便可以發(fā)生膜態(tài)沸騰，形成光滑的入水空泡，并且隨著入水速度的增加，蒸汽膜依然保持穩(wěn)定，空泡壁面保持光滑?？梢宰C明，對于95°C的高溫水，超疏水性球體相比于親水性球體可以在較低球溫條件下形成穩(wěn)定的蒸汽膜，并且隨著速度的增加，超疏水性球體形成空泡的抗擾動能力更強。

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

圖10 95°C水中200°C超疏水性球體入水空泡形態(tài)

Fig.10 Cavity characteristics of superhydrophobic spheres at

200°C with Tw=95°C

5 28°C水中高溫球體入水空泡形態(tài)

圖11所示為200°C親水與超疏水球體和28°C超疏水球體在1.2 m/s入水速度條件下，落入28°C水中的空泡形態(tài)對比。如圖11(a)所示，28°C超疏水球體入水后形成了具有極其光滑壁面的入水空泡。圖11(b)所示，對于親水性球體，核態(tài)沸騰產(chǎn)生的汽泡擾動使球體產(chǎn)生具有粗糙壁面的入水空泡。圖11(c)所示，由于溫度產(chǎn)生的核態(tài)沸騰與疏水性的共同影響，200°C超疏水球體產(chǎn)生了帶有褶皺壁面的光滑空泡。類似于圖9所示的150°C超疏水性球體落入95°C水中，該階段形成的入水空泡形態(tài)受球體溫度與疏水性的耦合影響。

圖12所示為不同入水速度350°C的親水性球體落入28°C水中的入水空泡形態(tài)。Yagov等[13-14]的研究表明，在低溫度水中，穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰很難發(fā)生，隨著水溫的升高，存在一種特殊的膜態(tài)沸騰階段，該階段的傳熱強度遠(yuǎn)高于穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰階段，沸騰現(xiàn)象非常劇烈。圖12所示，球體入水沸騰現(xiàn)象較為劇烈，沒有形成如圖8(a)所示的光滑入水空泡，沸騰階段處于核態(tài)沸騰末期階段或擾動的特殊膜態(tài)沸騰階段，在本文中并沒有對具體的沸騰階段進(jìn)行深入研究。當(dāng)速度較低時，如圖12(a)，(b)所示，強烈的擾動使球體無法形成入水空泡，在球體尾部存在劇烈汽化形成的蒸汽云。當(dāng)速度達(dá)到5.6 m/s時，如圖12(c)所示，球體無法形成完整的入水空泡，形成的部分汽泡在強烈的擾動和較高的傳熱強度下破裂成分散的汽泡。

圖11 28°C水中1.2 m/s入水速度空泡形態(tài)對比Fig.11 Comparison of cavity characteristics at impact velocity of 1.2 m/s with Tw=28°C

圖12 28°C水中350°C親水性球體入水空泡形態(tài)

Fig.12 Cavity characteristics of hydrophilic spheres at 350°C withTw=28°C

圖13所示為不同入水速度350°C的超疏水性球體落入28°C水中的入水空泡形態(tài)。如圖6(b)所示，350°C的超疏水性球體在28°C水中靜止冷卻整個沸騰過程一直處于膜態(tài)沸騰階段。而當(dāng)球體以一定速度入水時，如圖13所示，穩(wěn)定的蒸汽膜無法維持，空泡壁面受到的擾動較大。當(dāng)入水速度為1.2 m/s時，如圖13(a)所示，球體入水僅有部分空泡生成，隨著入水速度的增加，如圖13(b)，(c)所示，由于速度的影響，有較完整的空泡生成，由于受到疏水性的影響，350°C的超疏水性球體相比于圖12所示的親水性球體生成較充分的空泡。相比于95°C水，在28°C水中穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰較難發(fā)生，球體在較高溫度下無法形成光滑的入水空泡。由此可見水溫影響著沸騰傳熱的強度與沸騰方式，對入水空泡的生成與形態(tài)有較大影響。

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

圖13 28°C水中350°C超疏水性球體入水空泡形態(tài)

Fig.13 Cavity characteristics of superhydrophobic spheres at 350°C withTw=28°C

6 結(jié) 論

本文通過實驗方法研究了高溫親水性與超疏水性表面球體入水空泡形態(tài)特性，分析了表面潤濕性、水溫、球溫和入水速度對入水空泡形態(tài)特性的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1) 對于28°C室溫球體與室溫水，親水性表面球體在較高速度下才可以形成入水空泡且空泡壁面比較粗糙，超疏水性球體在較低入水速度下便可以形成入水空泡且空泡壁面比較光滑。

(2) 350°C親水性球體在95°C水中的冷卻過程首先處于膜態(tài)沸騰階段，一層蒸汽膜包裹在球體表面，溫度降低后蒸汽膜發(fā)生破裂進(jìn)入核態(tài)沸騰階段，350°C親水性球體浸入28°C水中立即進(jìn)入核態(tài)沸騰階段；350°C超疏水性球體在95°C和28°C水中的整個冷卻過程中，一直處于膜態(tài)沸騰階段，沒有發(fā)生蒸汽膜破裂過程直到沸騰現(xiàn)象逐漸消失。

(3) 200°C親水性球體落入95°C水中，由于核態(tài)沸騰產(chǎn)生的汽泡擾動，在1.2 m/s的較低入水速度下便形成了粗糙的入水空泡，隨著速度的增加擾動加劇，空泡壁面更加粗糙，當(dāng)球體溫度達(dá)到350°C時，在1.2 m/s入水速度下，球體周圍生成了穩(wěn)定的蒸汽膜，形成了光滑的入水空泡，隨著速度的增加，蒸汽膜的擾動使空泡壁面發(fā)生擾動。

(4) 150°C超疏水球體落入95°C水中，受到疏水性與溫度的耦合影響，生成了帶有褶皺的光滑空泡，當(dāng)溫度達(dá)到200°C，球體周圍形成的穩(wěn)定蒸汽膜使入水空泡壁面變得光滑；相比于親水性球體，超疏水球體在較低溫度下便可以發(fā)生穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰，且隨著入水速度的增加光滑的空泡壁面不易受到擾動。

(5) 在28°C水中，穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰較難發(fā)生，對于350°C的親水性球體，由于劇烈的沸騰強度影響，無法生成較完整的入水空泡；對于350°C超疏水性球體，由于疏水性的影響，在1.2 m/s入水速度下可以生成部分空泡，隨著速度的增加可以生成較完整的空泡。