冷液滴/熱液池碰撞混合及溫度特性*

方龍 陳國(guó)定

(西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,西安 710072)

創(chuàng)建了“高速-紅外”同步攝影裝置,并利用該裝置開(kāi)展了大量的冷液滴/熱液池碰撞實(shí)驗(yàn),觀測(cè)了冷液滴/熱液池碰撞過(guò)程中混合換熱區(qū)域的形態(tài)及溫度變化,分析了工況條件對(duì)碰撞過(guò)程中冷熱液體混合換熱的影響,并建立了碰撞混合換熱區(qū)域平均溫度與工況條件間無(wú)量綱關(guān)系.通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：冷液滴/熱液池碰撞區(qū)域溫度迅速升高的主要原因?yàn)槔?熱液體發(fā)生了混合；在碰撞初始階段,冷液滴并沒(méi)有與熱液池迅速融為一體,而是以新月?tīng)睢白冃我旱巍钡男问酱嬖?；在中心射流向上移?dòng)的過(guò)程中,正在混合的冷/熱液體分成兩部分,一部分混合液體流向中心射流,而另一部分流向液池底部；混合區(qū)域的平均溫度在碰撞初始階段隨著碰撞時(shí)間的增加先略有下降隨后又迅速增加,但其升高進(jìn)程會(huì)被空腔坍縮打斷,并在空腔坍縮后達(dá)到極值點(diǎn),隨后因中心射流的出現(xiàn)而產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象；混合區(qū)域平均溫度極值點(diǎn)的溫度值與碰撞韋伯?dāng)?shù)滿足一定的無(wú)量綱關(guān)系,而平均溫度極值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間與液滴弗勞德數(shù)滿足一定的無(wú)量綱關(guān)系.

1 引 言

從自然界中雨滴的沖擊侵蝕,到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)藥噴灑,再到先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)中的微納制造,以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承腔中的潤(rùn)滑與換熱,液滴與液池的碰撞現(xiàn)象是廣泛存在的.迄今已有眾多學(xué)者對(duì)同溫狀態(tài)下的液滴/液池碰撞這一科學(xué)與工程問(wèn)題展開(kāi)了研究.但針對(duì)工程中同樣常見(jiàn)并更為復(fù)雜的冷液滴/熱液池碰撞現(xiàn)象,譬如航空發(fā)動(dòng)機(jī)中熱區(qū)部位軸承腔中存在的冷液滴/熱液池碰撞現(xiàn)象,目前鮮有研究報(bào)道涉及.因此有必要開(kāi)展冷液滴/熱液池碰撞及其過(guò)程中的混合、換熱研究,探索冷液滴/熱液池碰撞及其過(guò)程中的物理現(xiàn)象和規(guī)律,以揭示冷液滴/熱液池碰撞所蘊(yùn)含的科學(xué)問(wèn)題和原理,為相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)設(shè)備性能的改善提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持.

液滴/液池碰撞研究起源于Worthington和Cole[1]利用電火花攝影裝置觀測(cè)液滴/液池的碰撞現(xiàn)象,迄今已有眾多學(xué)者對(duì)同溫狀態(tài)下的液滴/液池碰撞這一科學(xué)與工程問(wèn)題展開(kāi)了研究.Rein[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了同溫狀態(tài)下液滴/液池的碰撞現(xiàn)象,并將液滴/液池的碰撞形態(tài)劃分為“漂浮”、“反彈”、“碰并”、“冠狀液膜成形”和“濺射”五種形態(tài)；隨后Rein[3]進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了上述各形態(tài)之間的辨識(shí)準(zhǔn)則,并得出液滴韋伯?dāng)?shù)We 在液滴/液池碰撞形態(tài)辨識(shí)中起到重要作用的結(jié)論.Yarin和Weiss[4]在Rein研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展了同溫狀態(tài)下的液滴/液池碰撞研究,并提出了“運(yùn)動(dòng)不連續(xù)”理論,認(rèn)為液滴/液池碰撞后空腔直徑與碰撞時(shí)間存的平方根為正相關(guān)關(guān)系,該結(jié)論的有效性被Cossali等[5]的實(shí)驗(yàn)所證實(shí),同時(shí)Cossali等[5]還發(fā)現(xiàn)液池厚度對(duì)液滴/液池碰撞產(chǎn)生的皇冠直徑和高度的影響極小.Roisman等[6,7]在Yarin“運(yùn)動(dòng)不連續(xù)”理論的基礎(chǔ)上,通過(guò)新的理論推導(dǎo)獲得了液滴/液池碰撞后空腔直徑、深度等的解析解,并與其開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,證實(shí)了其理論結(jié)果的有效性.Bisighini等[8]繼承Roisman等的研究,通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法獲得了空腔寬度、深度與碰撞條件間的無(wú)量綱關(guān)系,Bisighini等的理論計(jì)算結(jié)果被Mitchell等[9,10]和Hann等[11]的實(shí)驗(yàn)所證實(shí).目前,液滴碰撞過(guò)程的換熱研究集中于大量隨機(jī)噴霧液滴/熱壁面碰撞后的統(tǒng)計(jì)換熱分析[12-15],而單個(gè)液滴碰撞的換熱研究主要集中于液滴/干燥熱壁面的碰撞研究,如Bernardin等[16]的研究表明壁面溫度、液滴碰撞速度對(duì)液滴/壁面碰撞形態(tài)及換熱效率有較大影響,同樣Pasandideh-Fard等[17]的研究結(jié)果表明,換熱效率與液滴的碰撞韋伯?dāng)?shù)有關(guān),液滴韋伯?dāng)?shù)越高換熱效率越高.Castanet等[18]的研究結(jié)果則表明壁面溫度和Cossali提出的飛濺參數(shù)會(huì)影響液滴換熱效率.葉學(xué)民等[19]的研究則表明液滴在熱壁面上的鋪展特性將直接影響液滴與壁面之間的傳熱特性.有關(guān)單個(gè)液滴碰撞/熱液池碰撞過(guò)程中的換熱研究還比較少,Gao等[20]研究了單個(gè)液滴與熱壁面液膜碰撞后的換熱現(xiàn)象,結(jié)果表明液滴/熱液膜碰撞后的換熱過(guò)程分為兩個(gè)階段,即液膜溫度迅速下降的“響應(yīng)階段”和液膜溫度恢復(fù)并保持穩(wěn)定的“恢復(fù)階段”.同樣Liang等[21]的研究結(jié)果也表明液滴/熱液膜碰撞過(guò)程中,液膜表面的平均熱通量隨著液滴碰撞速度的增加而增加.

本文創(chuàng)建了“高速-紅外”同步攝影裝置,并利用該裝置開(kāi)展了冷液滴/熱液池碰撞實(shí)驗(yàn),觀測(cè)了冷液滴/熱液池碰撞過(guò)程中混合換熱區(qū)域的形態(tài)變化,分析了工況條件對(duì)冷液滴/熱液池碰撞過(guò)程中冷熱液體混合換熱的影響,建立了冷液滴/熱液池碰撞混合換熱區(qū)域平均溫度與工況條件之間的無(wú)量綱關(guān)系.本文的研究工作有助于揭示冷液滴/熱液池碰撞混合換熱的現(xiàn)象和機(jī)理,是促使相關(guān)工業(yè)工程領(lǐng)域技術(shù)設(shè)備性能改善和改進(jìn)的基礎(chǔ)研究工作.

2 冷液滴/熱液池的碰撞實(shí)驗(yàn)裝置

冷液滴/熱液池碰撞實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)成如圖1所示.冷液滴/熱液池碰撞實(shí)驗(yàn)裝置主要由液滴產(chǎn)生裝置、液池產(chǎn)生裝置和同步攝影裝置等組成的.實(shí)驗(yàn)中先利用液池產(chǎn)生裝置產(chǎn)生具有一定溫度和膜厚的熱液池,由液滴產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的具有一定速度和直徑的冷液滴撞擊熱液池,由同步攝影裝置(含高速攝像機(jī)和紅外攝像機(jī))記錄冷液滴/熱液池的碰撞過(guò)程,通過(guò)分析處理同步攝影裝置獲得的圖片,獲得冷液滴/熱液池碰撞過(guò)程中碰撞區(qū)域形態(tài)變化,以及液滴/熱液池間的熱量傳輸特征.

圖1 冷液滴/熱液池碰撞實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成圖Fig.1.Experimental schematic diagram.

在冷液滴/熱液池碰撞實(shí)驗(yàn)裝置中,液滴產(chǎn)生裝置由帶針頭的針管、升降臺(tái)和微量氣泵等組成.針管固定在升降臺(tái)上,其內(nèi)注入溫度變化范圍為10—18 ℃的冷水,針管頂部與微量氣泵相連,針管底部連接針頭,可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求更換不同直徑的針頭,以便于產(chǎn)生不同直徑尺寸的液滴.實(shí)驗(yàn)中通過(guò)微量氣泵輸送壓力氣體擠壓針管內(nèi)液體,促使液體在針頭附近產(chǎn)生液滴,實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的液滴直徑范圍為2—4 mm.液滴碰撞速度的改變是通過(guò)調(diào)整針管在升降臺(tái)上位置進(jìn)而改變針頭與液槽液面距離實(shí)現(xiàn)的,實(shí)驗(yàn)中液滴的速度范圍為0.9—4.0 m/s.液池產(chǎn)生裝置由液槽和加熱裝置等構(gòu)成,液槽深度為8 mm,液槽底部為鋁板以利于導(dǎo)熱,側(cè)面為透明有機(jī)玻璃.液槽放置在加熱裝置上通過(guò)加熱以獲得需要的液池溫度,本實(shí)驗(yàn)中熱液池溫度在40—65 ℃范圍內(nèi)變化.

為了能夠記錄冷液滴/熱液池碰撞過(guò)程中碰撞區(qū)域的形態(tài)和溫度演化特征,本文創(chuàng)建了使高速攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)同步工作的“高速-紅外”同步攝影裝置.同步攝影裝置是由高速攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、晶體管邏輯電路脈沖信號(hào)發(fā)生器、頻閃燈和計(jì)算機(jī)等設(shè)備成.邏輯電路所產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)的頻率為5000 Hz；高速攝像機(jī)的型號(hào)為IDT公司的Os3-s3型,拍攝圖片像素為1280 pixels×1024 pixels,拍攝記錄頻率為5000 Hz；紅外攝像機(jī)型號(hào)為FLIR公司的SC7000型,拍攝圖片像素為300 pixels×120 pixels,拍攝記錄頻率為500 Hz.實(shí)驗(yàn)中當(dāng)下落液滴經(jīng)過(guò)高速攝像機(jī)攝像畫(huà)面時(shí),通過(guò)光敏元件捕捉到下落的液滴,產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)傳送入晶體管邏輯電路脈沖發(fā)產(chǎn)生器,使邏輯電路產(chǎn)生一定頻率的同步脈沖信號(hào),然后邏輯電路將該脈沖信號(hào)同時(shí)輸送到高速攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)中,使高速攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)同時(shí)拍攝并記錄冷液滴與熱液池的碰撞過(guò)程,并結(jié)合自編軟件處理將拍攝結(jié)果顯示到同一個(gè)畫(huà)面上.

液滴直徑是利用液滴撞擊到液池前的10幀圖像確定的,測(cè)量計(jì)算碰撞前10幀圖像中各個(gè)液滴的等效直徑,進(jìn)而求得10幀圖像中液滴直徑的均值,將此均值作為碰撞液滴的直徑.液滴速度是通過(guò)液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的2幀圖像確定的,首先確定上述2幀圖像中液滴的質(zhì)心坐標(biāo),進(jìn)而計(jì)算獲得液滴質(zhì)心相對(duì)位移,然后除以這2幀圖像的時(shí)間間隔,獲得液滴的運(yùn)動(dòng)速度.同時(shí),為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性,本文在每一個(gè)工況條件下的碰撞實(shí)驗(yàn)都重復(fù)10次.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 冷液滴/熱液池碰撞過(guò)程中的混合形態(tài)及溫度變化

為后續(xù)分析問(wèn)題方便將液滴的直徑D、速度u 以及液滴的物性參數(shù)無(wú)量綱化為液滴的韋伯?dāng)?shù)We =ρu2D/σ,ρ,σ分別為液滴的密度和表面張力,液滴韋伯?dāng)?shù)的物理意義是液滴的慣性力與表面張力之比.將碰撞時(shí)間t 無(wú)量綱化為(1)式的形式,

式中τ為無(wú)量綱化碰撞時(shí)間,D為液滴直徑.

圖2給出了溫度為14 ℃、韋伯?dāng)?shù)為140 (液滴直徑為3.1 mm,液滴速度為1.8 m/s,液滴密度為999 kg/m3,液滴表面張力為0.0073 N/m)的冷液滴撞擊到溫度為45 ℃、厚度為8 mm的熱液池過(guò)程的高速攝像及紅外攝像同步時(shí)序圖.紅外攝像圖中不同的顏色代表了具有不同溫度的液體,紅色部分為溫度較高的液體,藍(lán)色部分為溫度較低的液體.由于光線的折射作用,在碰撞4 ms (τ= 2.3)時(shí),通過(guò)高速攝像機(jī)觀測(cè)到了源自冷液滴的冷液體與源自熱液池的熱液體間交接面,在本文中將其定義為冷/熱液體交界面.在碰撞初始階段 (τ≤ 2),源自冷液滴的冷液體并沒(méi)有與熱液池迅速融為一體,而是附著在空腔周?chē)?以新月?tīng)睢白冃我旱巍钡男问酱嬖?新月?tīng)畹淖冃我旱卧趹T性力、重力、表面張力及壓力的共同作用下不斷沿徑向向四周擴(kuò)展.Bisighini等[8]在同溫條件下的液滴/液池碰撞研究中預(yù)測(cè)了該變形液滴的存在,但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,并未能觀測(cè)到該變形液滴的形態(tài)及其變化規(guī)律.另外,從碰撞4 ms (τ= 2.3)時(shí)紅外攝像圖片可以看出,盡管空腔邊緣的溫度已經(jīng)開(kāi)始上升,但空腔中心部位的溫度與碰撞前冷液滴溫度基本一致,為整個(gè)碰撞混合區(qū)域的溫度最低點(diǎn).這說(shuō)明在碰撞初始階段空腔邊緣附近的冷液體已經(jīng)開(kāi)始與熱液池混合,但空腔中心位置附近因含有源于冷液滴的冷液體較多而導(dǎo)致其成為整個(gè)混合區(qū)域溫度最低的部位.另外,需要指出的是,本文混合區(qū)域指的是冷液滴/熱液池碰撞過(guò)程中冷/熱液體正在發(fā)生混合的區(qū)域,“混合區(qū)域”在紅外攝像圖片中表現(xiàn)為溫度低于熱液池溫度的區(qū)域,在高速攝像圖片中表現(xiàn)為液體折射率區(qū)別于熱液池的區(qū)域.

從碰撞10 ms (τ= 5.7)時(shí)的高速攝像圖片可以看出,冷/熱液體交界面因冷熱液體的混合變模糊,逐漸變薄并最終與熱液池混合為一體而消失,同時(shí)碰撞混合區(qū)域也隨著空腔的擴(kuò)展而面積擴(kuò)大、厚度縮窄,隨著碰撞時(shí)間的繼續(xù)；此時(shí)紅外攝像圖片表明混合區(qū)域溫度因冷熱液體的混合而迅速增加,空腔中心附近的溫度也略有升高.通過(guò)10 ms時(shí)的紅外攝像圖片還可以觀測(cè)到紅色指環(huán)狀的隆起液膜不斷向四周擴(kuò)展,隆起液膜溫度要略微高于周?chē)h(huán)境表面溫度.這是由于隆起液膜表面會(huì)與空氣發(fā)生熱量交換,造成其溫度略低于熱液池內(nèi)部溫度,而隆起液膜液體源自于熱液池內(nèi)部造成的.另外,從圖中還可以看出,隆起液膜中還存在著溫度低于周?chē)摹袄潼c(diǎn)”,這些“冷點(diǎn)”隨著隆起液膜向四周擴(kuò)展,“冷點(diǎn)”的溫度介于熱液池溫度和冷液滴溫度之間,這說(shuō)明部分源于冷液滴中的冷液體也混合進(jìn)入了隆起液膜中.同時(shí),從圖中還可以看出二次液滴的溫度比較接近熱液池的溫度.

碰撞30 ms和40 ms時(shí)的高速攝像圖片表明,空腔在表面張力作用下開(kāi)始坍縮,同時(shí)空腔中心附近的液體也因表面張力引起的“彈弓效應(yīng)”迅速向上流動(dòng)并形成中心射流.在中心射流向上移動(dòng)的過(guò)程中,正在混合的冷/熱液體分成兩部分：一部分混合液體流向中心射流,并隨著中心射流向上移動(dòng)；而另一部分混合液體流向液池底部,并因液池底部的阻礙作用及混合液體/底部熱液池間溫度差異形成了一定強(qiáng)度的渦流,渦流不斷卷曲并向四周擴(kuò)展,使得混合液體在液池底部呈現(xiàn)出軸對(duì)稱的“大蒜狀”.紅外攝像圖片也表明在空腔坍縮時(shí),混合液體從四周沿徑向回流到中心射流,并集中于射流中心的頂端,隨著中心射流向上流動(dòng).圖3給出了相同碰撞條件下紅外攝像機(jī)從側(cè)面拍攝的冷液滴/熱液膜碰撞過(guò)程圖,從圖中可以看出中心射流頂端的溫度遠(yuǎn)低于其他部位的溫度,這也證實(shí)了較冷的混合液體主要集中于中心射流的頂端.

圖2 冷液滴/熱液池碰撞過(guò)程的高速攝像及紅外攝像同步時(shí)序圖 i)高速攝像圖片；ii)紅外攝像圖片F(xiàn)ig.2.The simultaneous images of droplet impacting on hot pool：i) Images taken from high speed camera；ii) images taken from infrared camera.

碰撞60 ms后,高速攝像圖表明一個(gè)直徑較大的二次液滴從中心射流頂部斷裂,同時(shí)斷裂后的中心射流逐漸回縮至熱液池；從紅外攝像圖片可以看出從中心射流斷裂的二次液滴溫度很低,表明該二次液滴帶走了中心射流中大部分混合液體,而殘留在退縮中心射流中的混合液體較少,使得退縮中心射流的溫度升高迅速.中心射流斷裂的二次液滴中的液體在向上運(yùn)動(dòng)到頂點(diǎn)后會(huì)回落并再次撞擊到熱液池(136 ms),在二次液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,因含冷液滴液體的濃度較高,使其溫度升高緩慢,直到再次撞擊到熱液池表面并形成一個(gè)較大的“冷區(qū)域”,此時(shí)液面迅速恢復(fù)平靜,冷區(qū)域內(nèi)液體基本不再與周?chē)臒嵋撼匾后w混合,而是被周?chē)臒嵋撼鼐徛訜岬脚c熱液池相同的溫度.可以看出,混合區(qū)域的溫度能迅速升高的主要原因?yàn)槔?熱液體發(fā)生了混合,僅僅依靠冷/熱液體的傳熱會(huì)使得碰撞混合區(qū)域的溫度升高較為緩慢.

圖3 冷液滴/熱液池碰撞過(guò)程的側(cè)面紅外攝像圖 (a) t = 50.0 ms；(b) t = 60.0 msFig.3.The side view of droplet impacting on hot pool：(a) t = 50.0 ms；(b) t = 60.0 ms.

圖4(a)還給出了碰撞混合區(qū)域以碰撞中心為圓心,沿徑向各位置溫度分布情況及其隨時(shí)間變化圖.圖中橫坐標(biāo)為無(wú)量綱碰撞時(shí)間,縱坐標(biāo)為無(wú)量綱徑向坐標(biāo)D*的計(jì)算公式為

式中,xr為與圓心之間的徑向距離,D為液滴直徑.

從圖4(a)中可以看出,混合區(qū)域的直徑隨著碰撞時(shí)間增加是先增加后減小的,這是由于空腔擴(kuò)展及坍塌造成的；同時(shí),在同一時(shí)刻混合區(qū)域的溫度由邊緣向中心逐漸降低,相同位置處的溫度在空腔坍縮前都是隨著碰撞時(shí)間的增加而增加,但隨著空腔的坍縮以及部分較冷的混合液體流向碰撞中心,碰撞中心位置處的溫度略有下降.結(jié)合圖2及圖4(a)還可以看出,在冷液滴與熱液膜碰撞的早期,混合區(qū)域溫度分布是關(guān)于D* = 0對(duì)稱的,但當(dāng)無(wú)量綱時(shí)間約大于40之后,混合區(qū)域有偏移,不再關(guān)于D* = 0對(duì)稱.這是因?yàn)?當(dāng)無(wú)量綱時(shí)間約大于40之后,圖中出現(xiàn)的碰撞混合區(qū)域主要是由中心射流產(chǎn)生的二次液滴構(gòu)成,二次液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其中心與冷液滴/熱液膜的碰撞中心不一定完全重合,因此造成無(wú)量綱時(shí)間大于40之后,溫度分布在D* = 0處是不對(duì)稱的,而是大致在D* = 1處對(duì)稱.

圖4(b)給出了碰撞混合區(qū)域溫度分布直方圖及其隨時(shí)間變化規(guī)律圖,圖上還描繪出了碰撞混合區(qū)域最低溫度及平均溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì).從圖中可以看出,隨著碰撞時(shí)間的增加,直方圖溫度分布范圍逐漸變小,且整體逐漸向熱液池溫度方向偏移,最終直方圖中所有溫度與熱液池溫度一致.從圖中還可以看出,最小溫度隨碰撞時(shí)間的增加而增加,但在碰撞的起始階段增速較低.這是因?yàn)榕鲎查_(kāi)始時(shí)較多來(lái)自于冷液滴的液體富集在碰撞中心位置,使得碰撞中心最小溫度上升比較緩慢.

圖4 徑向溫度分布和溫度分布直方圖隨時(shí)間的變化 (a) 徑向溫度分布隨碰撞時(shí)間的變化；(b) 溫度分布直方圖隨時(shí)間的變化Fig.4.The radical temperature profile and the temperature histogram of the impacting area：(a) The radical temperature profile；(b) the temperature histogram of the impacting area.

圖4(b)還表現(xiàn)出碰撞混合區(qū)域平均溫度變化規(guī)律較為復(fù)雜的情況.在碰撞初始階段,平均溫度隨碰撞時(shí)間的增加先略有下降隨后又迅速增加,但平均溫度的升高進(jìn)程會(huì)被空腔坍縮打斷,并在空腔坍縮后達(dá)到平均溫度極值點(diǎn),隨后碰撞混合區(qū)域平均溫度因中心射流的出現(xiàn)(約碰撞后30—80 ms)而產(chǎn)生波動(dòng)甚至下降的現(xiàn)象.這是由于較冷的混合液體在空腔坍縮時(shí)匯集到空腔中心并形成向上運(yùn)動(dòng)的中心射流,而在紅外攝像圖片中心射流頂部溫度較低的液體覆蓋掉了底部溫度較高的液體造成的.不過(guò),隨著中心射流斷裂二次液滴的回落,碰撞混合區(qū)域的平均溫度再次緩慢增加直至完全與熱液池溫度一致.

3.2 碰撞參數(shù)的影響

為了定量分析韋伯?dāng)?shù)對(duì)混合區(qū)域平均溫度的影響,首先將混合區(qū)域平均溫度無(wú)量綱化為(3)式,然后給出了如圖5所示的韋伯?dāng)?shù)分別為165 (液滴直徑為3.7 mm,液滴速度為1.8 m/s)、140 (液滴直徑為3.1 mm,液滴速度為1.8 m/s)和50 (液滴直徑為2.8 mm,液滴速度為0.9 m/s)的冷液滴撞擊溫度為43 ℃、厚度為8 mm的熱液池后混合區(qū)域無(wú)量綱平均溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律圖.

圖5表明,混合區(qū)域無(wú)量綱平均溫度在碰撞初始階段都是隨著無(wú)量綱時(shí)間的增加而增加,且無(wú)量綱平均溫度上升速率隨韋伯?dāng)?shù)的增加有先減小后增大趨勢(shì),但是這種增長(zhǎng)趨勢(shì)會(huì)因?yàn)榕鲎伯a(chǎn)生的空腔發(fā)生坍縮被打斷.如前所述混合區(qū)域平均溫度在碰撞初始階段會(huì)隨著碰撞時(shí)間的增加而增加到一個(gè)極值點(diǎn),然后因空腔的坍縮而下降并進(jìn)入波動(dòng)期.從圖5中可以看出,波動(dòng)期無(wú)量綱平均溫度的變化趨勢(shì)與韋伯?dāng)?shù)的大小有關(guān),韋伯?dāng)?shù)越小波動(dòng)期持續(xù)的時(shí)間越短.這是因?yàn)?當(dāng)韋伯?dāng)?shù)較小時(shí)空腔的坍縮及恢復(fù)時(shí)間持續(xù)較短；而韋伯?dāng)?shù)較大時(shí),在空腔坍縮階段會(huì)產(chǎn)生中心射流甚至中心射流會(huì)斷裂形成二次液滴,這導(dǎo)致空腔坍縮時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)量綱平均溫度的波動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng).

圖5 三種韋伯?dāng)?shù)條件下無(wú)量綱平均溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.5.The non-dimensional mean temperature as a function of dimensionless time.

不過(guò),混合區(qū)域溫度迅速升高主要集中于無(wú)量綱平均溫度達(dá)到極值點(diǎn)前的階段,因此了解無(wú)量綱平均溫度極值點(diǎn)的溫度及出現(xiàn)時(shí)間的變化規(guī)律,有助于分析混合區(qū)域平均溫度的變化趨勢(shì).為獲得混合區(qū)域無(wú)量綱平均溫度極值點(diǎn)的溫度值與工況條件之間的關(guān)系,通過(guò)分析冷液滴/熱液池碰撞實(shí)驗(yàn)中大量的紅外攝像圖片,建立了混合區(qū)域無(wú)量綱平均溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律圖,提取平均溫度極值點(diǎn)的溫度,建立如圖6(a)所示的極值點(diǎn)的無(wú)量綱平均溫度與韋伯?dāng)?shù)的關(guān)系.從圖中可以看出,極值點(diǎn)的無(wú)量綱平均溫度隨著韋伯?dāng)?shù)增加而增加,但當(dāng)韋伯?dāng)?shù)增加到一定數(shù)值后(We = 200),極值點(diǎn)的無(wú)量綱平均溫度將穩(wěn)定在0.8附近,不再隨著韋伯?dāng)?shù)的增加而變化,造成這一現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)韋伯?dāng)?shù)We ＞ 200時(shí)空腔接觸到液池的底部,加快了碰撞中心附近極薄的混合液體的混合換熱造成的.根據(jù)本文實(shí)驗(yàn),筆者將極值點(diǎn)無(wú)量綱平均溫度與工況條件關(guān)系描述為

圖6 無(wú)量綱平均溫度極值點(diǎn)的溫度值、出現(xiàn)時(shí)間與工況條件的關(guān)系 (a)無(wú)量綱平均溫度極值點(diǎn)的溫度值；(b)無(wú)量綱平均溫度極值點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間Fig.6.The peak of dimensionless temperature and the dimensionless time of the peak：(a) The peak of dimensionless temperature as a function of Weber number；(b) the dimensionless time of the peak as a function of Froude number.

混合區(qū)域平均溫度極值點(diǎn)出現(xiàn)在空腔坍縮開(kāi)始階段,而Fedorchenko等[18]和Roisman等[19]的研究結(jié)果已表明空腔的坍縮時(shí)間與液滴弗勞德數(shù)Fr 成正相關(guān)關(guān)系,因此本文還建立了如圖6(b)所示的混合區(qū)域無(wú)量綱平均溫度極值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間與液滴弗勞德數(shù)的關(guān)系,并描述為如(5)式,表明混合區(qū)域無(wú)量綱平均溫度極值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間與Fr5/8成正比例關(guān)系.

(5)式中τpeak為混合區(qū)域平均溫度極值點(diǎn)的溫度值,Fr 為液滴的弗勞德數(shù),Fr 的計(jì)算公式為Fr =u2/(gD).

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)制作了冷液滴/熱液池碰撞實(shí)驗(yàn)裝置,并開(kāi)展了冷液滴/熱液池實(shí)驗(yàn),利用同步攝影裝置獲得了冷液滴/熱液池碰撞過(guò)程中的紅外攝像圖像及高速攝像圖像,通過(guò)分析上述實(shí)驗(yàn)圖像獲得了冷液滴/熱液池碰撞過(guò)程中混合換熱區(qū)域的形態(tài)變化及換熱特性.本文的主要研究結(jié)論如下：

1) 冷液滴/熱液池碰撞區(qū)域溫度迅速升高的主要原因?yàn)槔?熱液體發(fā)生了混合,僅僅依靠冷/熱液體的傳熱會(huì)使得碰撞混合區(qū)域的溫度升高較為緩慢；

2) 在碰撞初始階段(τ≤ 2),源自冷液滴的冷液體并沒(méi)有與熱液池迅速融為一體,而是附著在空腔周?chē)?以新月?tīng)睢白冃我旱巍钡男问酱嬖?；新月?tīng)畹淖冃我旱卧趹T性力、重力、表面張力及壓力的共同作用下不斷沿徑向向四周擴(kuò)展,但隨著碰撞時(shí)間的繼續(xù),變形液滴逐漸變薄并因與熱液池混合為一體而消失；

3) 冷液滴/熱液池碰撞產(chǎn)生了紅色指環(huán)狀的隆起液膜并不斷向四周擴(kuò)展,隆起液膜溫度要略微高于周?chē)h(huán)境表面溫度,這是由于隆起液膜會(huì)與空氣發(fā)生熱量交換而造成其溫度略低于熱液池內(nèi)部溫度,而隆起液膜液體源自于熱液池內(nèi)部造成的；

4) 在同一時(shí)刻混合區(qū)域的溫度由邊緣向中心逐漸降低,空腔中心為整個(gè)混合換熱區(qū)域溫度最低的位置；相同位置處的溫度在空腔坍縮前都是隨著碰撞時(shí)間的增加而增加,但隨著空腔的坍縮以及部分較冷的混合液體流向碰撞中心,碰撞中心位置處的溫度略有下降；

5) 空腔坍縮時(shí),空腔附近的液體因表面張力引起的“彈弓效應(yīng)”而迅速向上流動(dòng)并形成中心射流；在中心射流向上移動(dòng)的過(guò)程中,正在混合的冷/熱液體分成兩部分,一部分混合液體流向中心射流,并隨著中心射流向上移動(dòng),而另一部分混合液體流向液池底部；從中心射流斷裂的二次液滴溫度很低,表明該二次液滴帶走了中心射流中大部分混合液體,而殘留在退縮中心射流中的混合液體較少；

6) 碰撞混合區(qū)域的最小溫度隨碰撞時(shí)間的增加而增加,但在碰撞的起始階段增速較低.而碰撞混合區(qū)域的平均溫度變化規(guī)律較為復(fù)雜,在碰撞初始階段,平均溫度隨著碰撞時(shí)間的增加先略有下降,隨后又迅速增加,但平均溫度的升高進(jìn)程會(huì)被空腔坍縮打斷,并在空腔坍縮后達(dá)到平均溫度極值點(diǎn),隨后碰撞混合區(qū)域平均溫度因中心射流的出現(xiàn)而產(chǎn)生波動(dòng)甚至下降的現(xiàn)象；