不同親疏水表面液滴動力學(xué)行為實驗研究

張 帆，陳 鳳，薄涵亮

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，先進核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，先進反應(yīng)堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084）

液滴撞擊現(xiàn)象自從19世紀(jì)以來就有大量的科學(xué)研究，現(xiàn)今更是在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，涉及冶金、航天航空、化工和材料科學(xué)等工業(yè)部門，諸如噴淋冷卻、噴墨打印技術(shù)、內(nèi)燃機中噴霧撞壁、農(nóng)業(yè)上農(nóng)藥噴灑。尤其在核電站蒸汽發(fā)生器中液滴撞擊波形板汽水分離器的過程中有著重要影響。

液滴撞擊壁面的研究已有100 多年的歷史。Worthington［1-2］研究了液滴撞擊用硬脂酸蠟燭火焰熏烤的金屬盤子的過程，隨后利用這套實驗裝置分別進行了牛奶和水銀液滴撞擊金屬盤子的實驗。早期實驗研究為了增加碰壁現(xiàn)象的持續(xù)時間，常采用高黏度液體作為實驗工質(zhì)。Engel［3］通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，壁面粗糙度對液滴撞擊干壁面的運動形態(tài)具有一定的影響，釆用高度磨光的壁面會減少液滴破碎飛濺現(xiàn)象的出現(xiàn)。Bai和Gosman［4］根據(jù)不同條件下碰壁后液滴的行為特性將液滴碰壁現(xiàn)象細(xì)分為7種類型。Rioboo等［5-6］用水、乙醇、甘油和水不同濃度的混合物、液體合金、硅油等材質(zhì)的液滴撞擊具有不同粗糙度和潤濕度的壁面，給出了液滴撞擊干壁面后可能存在的運動形態(tài)，并對液滴撞擊干壁面后運動形態(tài)的變化過程進行了分析。畢菲菲等［7］用高速攝像儀記錄了蒸餾水、無水乙醇和甘油液滴撞擊固體表面的形態(tài)變化過程，并探討了液滴撞擊參數(shù)對撞擊過程液滴形態(tài)的影響。

液滴撞擊固體壁面是一個涉及流體力學(xué)、物理學(xué)以及表面化學(xué)的復(fù)雜過程。撞擊液滴的尺寸、角度、速度、溫度、物性，固體表面的粗糙度、潤濕性、溫度以及周圍環(huán)境的空氣壓力等均對撞擊結(jié)果有影響。

本文設(shè)計一種實驗裝置，用高速攝像儀對液滴在低速下撞擊不同親疏水性固體表面的過程進行觀測。對液滴撞擊不同親疏水固壁的特性參數(shù)（液滴鋪展直徑、高度和鋪展速度等）進行更為細(xì)致的研究。

1 實驗裝置及方法

實驗裝置如圖1所示，該裝置由液滴產(chǎn)生系統(tǒng)（調(diào)整高度的鐵架臺、產(chǎn)生液滴的容量為1 000μL的微量進樣器）、圖像采集系統(tǒng)（高速攝像儀、微距鏡頭、輔助強光光源和計算機等部分）和放置固體壁面的臺架組成。

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

高速攝像儀的型號為AOS-X-MOTION，5.2G 內(nèi)存，拍攝幀頻范圍為32～32 000fps，微距鏡頭為100 mm。實驗中采取4 000fps，圖像分辨率為800×150pixels。采用背光法拍攝液滴撞擊過程，光源由1 900lm 強光光源提供，采用硫酸紙柔和光源。

實驗在常溫25℃和常壓下進行，實驗工質(zhì)為去離子水，密度為997kg／m3，表面張力為0.073N·m-1，動力黏度為9.028×10-4Pa·s。

由微量進樣器手動產(chǎn)生去離子水液滴，液滴直徑取決于進樣器的針頭直徑，液滴的重力超過表面張力時，液滴脫離針頭撞擊固體壁面，撞擊速度可通過調(diào)整進樣器高度來控制。固體壁面選取光滑鋁片、不銹鋼、石英玻璃3種材料壁面。液滴在撞擊過程中的動力學(xué)行為參數(shù)通過像素分析法對參照物標(biāo)定來測量。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 3種材料壁面靜態(tài)接觸角的測量

光滑鋁片、不銹鋼、石英玻璃3種材料壁面的靜態(tài)接觸角采用Kruss Easy Drop Standard液滴鋪展儀用液滴鋪展法測量，得到這3種材料壁面的靜態(tài)接觸角分別為83°、90°、28°，可看出石英玻璃為親水壁面，而光滑鋁片、不銹鋼為較疏水壁面且疏水性能相差不大。

圖2為液滴在0.94m／s速度下撞擊不同壁面形態(tài)圖，每3幀提取出1張圖片，時間間隔為0.75ms。

液滴撞擊壁面后的鋪展直徑D 和液滴高度h 在一定程度上反映液滴撞擊壁面后的運動情況，是重要的特征參數(shù)。

2.2 液滴鋪展直徑D 的變化規(guī)律

圖3為液滴撞擊壁面鋪展直徑D 的變化曲線。

1）材料壁面的影響

圖3a中，液滴撞擊速度在0.94m／s時，鋪展前期（1～7 幀），液滴鋪展直徑D 均急劇增大，之后增速減小，鋁片、不銹鋼壁面均在12幀時達(dá)到最大值5.09、5.2mm，石英玻璃壁面親水性能較強，在23幀時D 達(dá)到最大值6.04mm；12幀后，鋁片、不銹鋼壁面鋪展直徑D 回縮，回縮速度相差不大，直至最后平衡；23幀后，石英玻璃壁面鋪展直徑D 基本不回縮，保持在6.04mm左右。

圖3b中，液滴撞擊速度在1.37m／s時，鋁片、不銹鋼、石英玻璃3種材料壁面上鋪展直徑D 分別在12、11、13幀時達(dá)到最大值6.19、6.24、6.43mm，達(dá)到最大值時時間相差不大；之后均有回縮過程直至平衡，不銹鋼壁面鋪展直徑D回縮程度最大，石英玻璃壁面回縮幅度很小。

圖3c中，液滴撞擊速度在1.64m／s時，鋁片、不銹鋼、石英玻璃3種材料壁面上鋪展直徑D 分 別 在12、11、15 幀 時 達(dá) 到 最 大 值6.75、6.44、7.1mm；之后石英玻璃壁面鋪展直徑D有極小幅度回縮直至平衡，鋁片、不銹鋼壁面均有較大程度回縮直至平衡。

圖2 液滴撞擊不同壁面形態(tài)圖Fig.2 Drop impact on different surfaces

圖3 液滴撞擊壁面鋪展直徑D 變化曲線Fig.3 Drop diameter Dafter impact on surfaces

2）撞擊速度的影響

圖3d鋁片壁面，3種撞擊速度下，在1～12幀，液滴鋪展直徑D 均急劇增大，在12幀時同時達(dá)到最大值，隨速度增大依次為5.09、6.19、6.75mm，D 的增大速度也隨撞擊速度的增大而增大。隨后均有一個回縮減小的過程，直至最后達(dá)到平衡。

圖3e不銹鋼壁面，3 種撞擊速度下，隨速度增大，液滴鋪展直徑D 依次在12、11、11幀時達(dá)到最大，分別為5.2、6.24、6.44mm，與鋁片一樣，D 的增大速度也隨撞擊速度的增大而增大，隨后均回縮至平衡狀態(tài)。

圖3f石英玻璃壁面，3 種撞擊速度下，隨速度增大，液滴鋪展直徑D 依次在23、14、15幀達(dá)到最大值，依次為6.04、6.43、7.1mm，隨后略微回縮即達(dá)平衡狀態(tài)。

疏水性能相差不大的鋁片、不銹鋼壁面，液滴撞擊速度對達(dá)到最大鋪展直徑的時間無影響；但石英玻璃材料壁面親水性能較好，在液滴撞擊速度較?。?.94m／s）時，達(dá)到最大鋪展直徑時間較長，撞擊速度增加（1.37、1.64m／s）時，達(dá)到最大鋪展直徑時間相差不大。

從能量守恒出發(fā)，撞擊前后能量守恒方程：

其中：EK1為撞擊前的動能；ES1、ES2分別為初始表面能、撞擊后的表面能；EP為鋪展過程中固-液界面代替固-氣表面過程中的能量變化；W 為黏性耗散能。

采用Pasandideh-Fard等［8］模型：

將式（2）代入式（1）中，得出液滴撞擊壁面無量綱潤濕長度最大值的半經(jīng)驗解析模型：

式中：Dmax為液滴潤濕長度最大值；D0為液滴初始直徑；θe為靜態(tài)平衡接觸角，接觸角增大，Dmax減小。隨著液滴撞擊速度即韋伯?dāng)?shù)We 的增大，式（2）中cosθe對Dmax值影響變小，3 種材料壁面上液滴最大鋪展直徑差距也變小，實驗結(jié)果與該理論分析吻合。

2.3 液滴高度h及震蕩周期的變化

以液滴中心區(qū)域最高點到固體壁面高度表征液滴高度參數(shù)h。圖4為液滴撞擊壁面液滴高度h的變化曲線。

圖4 液滴撞擊壁面液滴高度h變化曲線Fig.4 Drop height hafter impact on surfaces

以圖4b為例，在撞擊前期，1～8幀液滴高度h 均有一呈線性急劇降低的過程，之后9～12幀有一短暫緩慢回升的過程，13～22幀液滴高度h回落到最低點0.38mm，此后液滴表面能轉(zhuǎn)化為動能和耗散能，液滴中間區(qū)域急劇上升，在46幀處達(dá)到最高點1.28mm，液滴動能最?。恢?6～72 幀從高點回落到最低點0.61mm；之后又沖高回落反復(fù)震蕩，直至平衡，震蕩過程中液滴均未反彈離開壁面。后一震蕩周期與前一震蕩周期相比hmax逐漸降低，hmin逐漸增大，Δh＝hmax-hmin逐步減小。

1）材料壁面的影響

比較圖4b、e、h，液滴撞擊速度相同均為1.37m／s，壁面材料依次為鋁片、不銹鋼、石英玻璃，撞擊前期1～40幀，三者過程基本一致，均是先呈線性急劇降低，后有短暫緩慢回升，之后繼續(xù)降低至最低點，然后震蕩回升至最高點。40幀后大體變化也一致，是在反復(fù)震蕩中達(dá)到平衡。鋁片壁面在震蕩7個周期后Δh＝0.06mm，不銹鋼壁面在震蕩6個周期后Δh＝0.07mm，相差不大；而石英玻璃壁面在震蕩2個周期后就基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；從回升高度hmax來看，鋁片壁面、不銹鋼壁面、石英玻璃壁面三者第1次回升hmax分別為1.28、1.34、0.76mm，前兩者相差很小，后者回升幅度小很多。說明震蕩周期數(shù)（所需時間長短）、液滴回升高度與材料壁面的親疏水性有較大關(guān)系：石英玻璃壁面親水性能好，液滴在壁面鋪展后達(dá)到平衡的震蕩周期少，回升高度小；鋁片、不銹鋼均較疏水且程度接近，液滴在壁面鋪展后達(dá)到平衡的震蕩周期多，回升高度較高。

在親水的石英玻璃壁面，鋪展過程耗散過多能量，回縮過程能量自然減少，導(dǎo)致回升的最大高度也減小，震蕩至平衡的周期數(shù)也減少。

2）撞擊速度的影響

以石英玻璃壁面圖4g、h、i為例，3種速度撞擊石英玻璃壁面時，液滴高度h 變化過程大體一致，但隨速度依次增加，從最低點回升直至平衡的震蕩周期數(shù)依次減少，分別為3、2、1，達(dá)到平衡時的幀數(shù)分別為250、190、155左右，即所需時間隨撞擊速度增大而減小，依次為62.5、47.5、38.8ms。

在鋁片、不銹鋼材料壁面上，上述規(guī)律相同。

液滴撞擊速度決定了液滴撞擊壁面時的動能，速度越大撞擊動能越大。在撞擊前期，液滴鋪展主要由慣性能控制，鋪展直徑D 急劇增大，慣性能越大最大鋪展直徑也越大，回縮時能量和速度也越大。壁面固-液接觸區(qū)域因剪切應(yīng)力而產(chǎn)生的黏性耗散也隨撞擊速度增大而增大，這兩方面因素的平衡決定了撞擊速度對液滴回縮的影響。

3 結(jié)論

1）在一定撞擊速度下，固體材料壁面的親疏水性能對液滴鋪展過程產(chǎn)生重要影響，親水的石英玻璃壁面達(dá)到最大鋪展直徑的時間較長，最大鋪展直徑也較大，在鋪展后期鋪展直徑回縮較小；較疏水且程度接近的鋁片、不銹鋼壁面，達(dá)到最大鋪展直徑的時間、最大鋪展直徑D也相差不大，鋪展后期鋪展直徑回縮較大。

2）在同種固體材料壁面上，液滴最大鋪展直徑隨速度的增大而逐漸增大；但對達(dá)到最大鋪展直徑的時間影響因壁面不同而不同，在親水的石英玻璃壁面，速度增大時所需時間減小，在較疏水的鋁片、不銹鋼表面，所需時間一樣，不因速度變化而改變（低速范圍）。

3）在一定撞擊速度下，固體材料壁面的親疏水性能對液滴鋪展過程中的液滴高度h產(chǎn)生重要影響，親水的石英玻璃壁面，液滴在鋪展后達(dá)到平衡時的震蕩周期少，回升高度小；較疏水且程度接近的鋁片、不銹鋼壁面，液滴在壁面鋪展后達(dá)到平衡的震蕩周期多，回升高度較高。

4）在同種固體材料壁面上，液滴高度h 變化過程大體一致，但隨速度依次增加，從最低點回升直至平衡的震蕩周期數(shù)依次減少，達(dá)平衡的時間變短。

［1］ WORTHINGTON A M.On the forms assumed by drops of liquids falling vertically on a horizontal plate［J］.Proceedings of the Royal Society of London A，1877，25：261-271.

［2］ WORTHINGTON A M.A second paper on the forms assumed by drops of liquids falling vertically on a horizontal plate［J］.Proceedings of the Royal Society of London B，1877，25：498-503.

［3］ ENGEL O G.Water drop collisions with solid surfaces［J］.Research of the National Bureau of Standards，1955，54（5）：281-298.

［4］ BAI C X，GOSMAN A D.Development of methodology for spray impingement simulation［C］∥International Congress and Exposition Detroit.Michigan：［s.n.］，1995：69-87.

［5］ RIOBOO R，MARENGO M，TROPEA C.Time evolution of liquid drop impact onto solid，dry surfaces［J］.Experiments in Fluids，2002，33（1）：112-124.

［6］ RIOBOO R，TROPEA C，MARENGO M.Outcomes from a drop impact on solid surfaces［J］.Atomization and Sprays，2001，11（2）：155-165.

［7］ 畢菲菲，郭亞麗，沈勝強，等.液滴撞擊固體表面鋪展特性的實驗研究［J］.物理學(xué)報，2012，61（18）：1-6.BI Feifei，GUO Yali，SHEN Shengqiang，et al.Experimental study of spread characteristics of droplet impacting solid surface［J］.Acta Phys Sin，2012，61（18）：1-6（in Chinese）.

［8］ PASANDIDEH-FARD M，QIAO Y M，CHANDRA S，et al.Capillary effects during droplet impact on a solid surface［J］.Physics of Fluids，1996，8（3）：650-659.