當(dāng)量滴徑對(duì)于液滴駐留液面時(shí)間尺度影響的研究

王凱 冮鐵強(qiáng)

摘? ?要：液滴撞擊液面的現(xiàn)象在自然界和工業(yè)應(yīng)用中廣泛存在，像雨滴下落，噴霧冷卻，噴墨打印，微流控芯片等。液滴撞擊液面后，在界面處產(chǎn)生Marangoni效應(yīng)，液滴與液面間形成一層被截留的空氣薄膜，進(jìn)而阻止了液滴與液面的瞬間聚結(jié)，導(dǎo)致液滴在液面產(chǎn)生駐留。本文采用高速攝像機(jī)以6400fps的幀頻對(duì)不同尺寸液滴駐留液面的時(shí)間尺度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。結(jié)果表明：液滴在液面駐留的時(shí)間尺度τd與當(dāng)量滴徑Dd-1/2呈線性相關(guān)的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：液滴? 當(dāng)量滴徑? Marangoni效應(yīng)? 時(shí)間尺度

中圖分類號(hào)：TQ021? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（c）-0091-03

Abstract： The phenomenon of droplet hit on liquid surface exists widely in nature and industrial applications， such as raindrop falling， spray cooling， inkjet printing， microfluidic chip，etc. After the droplet hits the liquid surface， the Marangoni effect occurs at the interface， forming a layer of trapped air film between the droplet and the liquid surface，which prevents the instantaneous coalescence of the droplet and the liquid surface， causing the droplet to stay at the liquid surface. A high-speed camera is used to explore the time scale of liquid droplet of different sizes at 6400 fps frame. The results show that the equivalent diameter Dd-1/2 of the droplet is linearly correlated with the residence time τd at the liquid surface.

Key Words： Droplet; Equivalent Droplet size; The Marangoni effect; Time scale

液滴撞擊液面行為的研究廣泛涉及到化工，醫(yī)藥，材料，航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。早期人們的研究主要集中在液滴撞擊液面瞬間其力學(xué)形態(tài)變化的分析。隨著高速相機(jī)的使用，使得單液滴撞擊的形變分析[1]以及多液滴間動(dòng)力學(xué)的研究[2]等工作取得了較大進(jìn)展。但是，對(duì)于液滴在液面駐留時(shí)間尺度的研究則相對(duì)較少。

液滴碰觸液體表面時(shí)，若液體表面濃度不均衡，液滴與液面存在初始溫差?T0[3]等，易引起界面處表面張力不平衡形成表面張力梯度，這種表面張力梯度的存在會(huì)引起自發(fā)的界面運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生Marangoni流[4]，其在液滴和液面間形成一層穩(wěn)定的空氣薄膜延遲了液滴的瞬間聚結(jié)導(dǎo)致液滴在液面產(chǎn)生駐留。液滴在撞擊液面過程中的駐留時(shí)間尺度[5]可以應(yīng)用到工業(yè)工程中，具有一定的價(jià)值。因此，本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)當(dāng)量滴徑影響液滴在液面駐留的時(shí)間尺度進(jìn)行研究。

1? 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置由三大部分組成：液滴生成系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

自動(dòng)升降平臺(tái);（F）數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī);（G）微量蠕動(dòng)泵;（H）儲(chǔ)液池。

在實(shí)驗(yàn)中，通過微量蠕動(dòng)泵控制液體流速驅(qū)動(dòng)其在針頭處產(chǎn)生滴徑大小均勻的液滴，通過調(diào)節(jié)自動(dòng)升降平臺(tái)控制液滴自由落體的初始高度h0來(lái)控制液滴的入射速度vd，其中vd=。通過裝有PFV的計(jì)算機(jī)與高速攝像機(jī)連接來(lái)讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，幀頻設(shè)置為6400fps，圖像分辨率1024×1024。背景光源由雙色溫聚光燈提供。實(shí)驗(yàn)在常壓20℃下進(jìn)行，所用液體的基本物性參數(shù)如表1所示。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同液滴的尺寸大小通過高速攝像機(jī)拍攝的圖像信息獲得，由于液滴在接觸到液面的過程中往往不能始終保持標(biāo)準(zhǔn)的圓球形，而是在針頭處因存在毛細(xì)管力使得液滴在豎直方向上出現(xiàn)拉長(zhǎng)，為了更精確的描述液滴的滴徑形態(tài)，因此本文使用當(dāng)量滴徑Dde：

其中，Dhe，Dve分別為高速攝像機(jī)拍攝圖像中液滴水平和豎直方向的直徑。

由于液滴的水平直徑和垂直直徑都是在攝像機(jī)拍攝的圖像上讀取數(shù)據(jù)獲得，因此液滴實(shí)際當(dāng)量滴徑Dd的大小需要在圖像比例尺下?lián)Q算得到：

其中，Ds為針頭的標(biāo)準(zhǔn)外徑，Dse為針頭的實(shí)驗(yàn)測(cè)量外徑。

在本文中，液滴在液面上駐留的時(shí)間定義為τd：

其中τ1是液滴在液面上融合的時(shí)刻點(diǎn)，τ0是液滴從針頭滴落到接觸到液面的時(shí)刻點(diǎn)。采用無(wú)量綱參數(shù)Oh數(shù)描述液滴駐留液面時(shí)間τd的變化：

高速攝像機(jī)拍攝到液滴從脫離針頭接觸到液面，再?gòu)囊旱纹扑榈酵耆劢Y(jié)的整個(gè)生命周期如圖2。

去離子水和無(wú)水乙醇在20℃常壓下，液滴與液面的初始溫差?T0<1.0℃，針頭距離液面的高度h0=5mm。駐留時(shí)間τd隨Oh數(shù)的變化如圖3：

圖3（a）為去離子水液滴在液面駐留時(shí)間τd隨Oh數(shù)的變化，（b）為無(wú)水乙醇液滴在液面駐留時(shí)間τd隨Oh數(shù)的變化。由圖中我們可以得到，液滴在液面的駐留時(shí)間τd與Oh數(shù)線性相關(guān)。

3? 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液滴在液面的駐留時(shí)間τd與Oh數(shù)線性相關(guān)。因此，液滴在液面駐留的時(shí)間τd與當(dāng)量滴徑Dd-1/2也呈線性相關(guān)的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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