單液滴撞擊薄液膜后冠狀結(jié)構(gòu)的破碎過(guò)程

鐘凱，秦靜,2，裴毅強(qiáng)，盧莉莉，王煜乾，彭志軍

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300072；2. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，天津，300072)

液滴撞擊壁面的現(xiàn)象廣泛存在于自然界、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域中。尤其是在工業(yè)領(lǐng)域，液滴撞壁更是被廣泛地應(yīng)用。例如缸內(nèi)直噴的內(nèi)燃機(jī)中的燃油噴霧液滴撞擊活塞表面或缸套表面[1]。研究液滴撞壁現(xiàn)象，探索不同條件下的液滴撞壁過(guò)程及特點(diǎn)，全面準(zhǔn)確地描述和解釋液滴撞壁現(xiàn)象對(duì)于認(rèn)識(shí)液滴撞壁過(guò)程的多項(xiàng)流體動(dòng)力學(xué)機(jī)理具有重要意義。

根據(jù)壁面是否存在液膜，可將液滴撞壁現(xiàn)象分為液滴撞擊干壁面和濕壁面。學(xué)者們針對(duì)單液滴撞擊干壁面和濕壁面進(jìn)行了大量研究。RIOBOO等[2-3]研究了不同物性液滴撞擊不同粗糙度干壁面后的發(fā)展動(dòng)態(tài)，分析了各工況下的鋪展因子。BAI等[4]依據(jù)入射液滴韋伯?dāng)?shù)和固體壁面表面溫度等參數(shù)，將液滴撞擊固體壁面后的現(xiàn)象分為黏附、反彈、鋪展、破碎、飛濺和沸騰引導(dǎo)的破碎以及伴隨反彈的破碎7種類(lèi)型。COSSALI等[5]研究水滴撞擊薄水膜現(xiàn)象，定性分析了入射液滴韋伯?dāng)?shù)和液膜厚度對(duì)冠狀參數(shù)及飛濺液滴尺寸的影響，結(jié)果表明韋伯?dāng)?shù)對(duì)于冠頂高度、直徑和飛濺液滴尺寸的影響比液膜厚度的大，而冠狀結(jié)構(gòu)厚度僅隨時(shí)間變化，與韋伯?dāng)?shù)和液膜厚度無(wú)關(guān)。BURZYNSKI等[6]針對(duì)高入射液滴韋伯?dāng)?shù)情況下，研究液滴撞擊液膜后形成的冠狀結(jié)構(gòu)的破碎過(guò)程，并認(rèn)為破碎過(guò)程中的孔洞出現(xiàn)是2種不穩(wěn)定性作用的結(jié)果。在不同的入射液滴韋伯?dāng)?shù)、液膜厚度、液膜黏度條件下，液滴撞擊壁面液膜后發(fā)生不同的現(xiàn)象。ZHU等[7]將其分為3類(lèi)：穩(wěn)定冠狀、飛濺冠狀以及劇烈飛濺冠狀，根據(jù)液滴入射后是否發(fā)生飛濺產(chǎn)生二次液滴進(jìn)行了研究，并通過(guò)臨界韋伯?dāng)?shù)對(duì)是否產(chǎn)生二次液滴進(jìn)行判斷。但對(duì)于冠狀結(jié)構(gòu)破碎過(guò)程的進(jìn)一步細(xì)分研究較少，不同破碎狀態(tài)下產(chǎn)生的二次液滴的區(qū)別研究較少，這對(duì)于液滴撞擊液膜模型的完善十分必要。

學(xué)者們對(duì)干燥表面上的液滴碰撞行為或同一類(lèi)型液體的液滴與液膜之間的相互作用行為研究較多，對(duì)液滴撞擊不同組分的液體薄膜的情況研究較少。此外，對(duì)于碰撞后液膜破碎的動(dòng)力學(xué)特性的研究也很少。然而，這種情況在現(xiàn)實(shí)生活中很常見(jiàn)。在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)中，燃油噴霧撞擊機(jī)油油膜表面。這種情況涉及2種液體之間的相互作用， 即燃油噴霧和缸壁上的機(jī)油油膜。PALAVEEV等[8-11]研究表明，當(dāng)燃油噴霧撞擊缸壁機(jī)油油膜時(shí)，缸壁上的機(jī)油濺入燃燒室，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)早燃，甚至引發(fā)超級(jí)爆震。為了研究噴霧撞擊油膜過(guò)程，首先要研究燃油液滴與機(jī)油油膜之間的相互作用。本文作者研究入射液滴與壁面液膜屬不同組分且相溶的情況下，單液滴撞擊薄液膜后壁面液膜的發(fā)展過(guò)程，對(duì)液滴撞擊薄液膜后形成的冠狀結(jié)構(gòu)的破碎過(guò)程進(jìn)行研究分類(lèi)，并對(duì)不同破碎過(guò)程下產(chǎn)生的二次液滴進(jìn)行定性分析，探究液滴韋伯?dāng)?shù)和液膜黏度對(duì)冠狀結(jié)構(gòu)破碎的影響。

1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)采用激光誘導(dǎo)熒光法(LIF)對(duì)單液滴撞擊液膜現(xiàn)象進(jìn)行觀察，研究撞擊后產(chǎn)生的冠狀結(jié)構(gòu)的發(fā)展動(dòng)態(tài)。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，使用激光器產(chǎn)生532 nm 波長(zhǎng)的激光，該激光器前端裝有鮑威爾棱鏡與N2852-12光纖，可以產(chǎn)生15 mm厚度的扇形面激光，該扇形激光水平鋪展在液膜正上方，液膜平鋪在液槽中。采用高速攝像機(jī)(Photron，7 000 幀/s，1 024×1 024 像素，本試驗(yàn)中采用的是5 400 幀/s)以25°俯拍，高速相機(jī)前鏡頭用高通濾波片遮擋，過(guò)濾掉550 nm 波長(zhǎng)的光，排出環(huán)境雜波干擾，以獲得更純凈清晰的圖像。

試驗(yàn)中，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%，60%，70%和80%的丙三醇(甘油)水溶液，代表不同黏度的液膜。查閱物性表可知不同黏度下液膜的密度與表面張力較為接近，故本試驗(yàn)忽略不同配比的液膜密度和表面張力對(duì)液滴撞擊液膜現(xiàn)象的影響。同時(shí)液膜中加入羅丹明B熒光劑。羅丹明B作為熒光劑，溶解于液膜中，其添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1%，同時(shí)保證不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的丙三醇水溶液中含有相同濃度的羅丹明B熒光劑，以消除染色劑濃度對(duì)拍攝圖像的影響。試驗(yàn)前，通過(guò)與不含羅丹明B熒光劑的丙三醇水溶液對(duì)比，未發(fā)現(xiàn)羅丹明B對(duì)液體的物化性質(zhì)有明顯影響。表1所示為試驗(yàn)液體在常溫常壓(300 K，0.1 MPa)與機(jī)油(373 K，0.1 MPa)的物性參數(shù)。

表1 試驗(yàn)液體的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of experiment liquid

量綱一的液膜厚度h定義為

式中：H和d分別為液膜厚度和入射液滴直徑。

針對(duì)液滴撞擊濕壁面的研究，對(duì)于薄液膜的厚度有不同的定義。WANG 等[12]將量綱一的液膜厚度h＜0.1 的液膜定義為薄液膜，MOTZKUS 等[13]認(rèn)為h＜1時(shí)為薄液膜。本試驗(yàn)中將薄液膜定義為h=0.1 的液膜。試驗(yàn)中通過(guò)控制一定面積平板的鋪展液滴的體積來(lái)控制液膜的厚度。

試驗(yàn)中采用弗雷TYD01 高精密注射泵產(chǎn)生均勻直徑的入射液滴，選取不同規(guī)格的針頭，則可以產(chǎn)生不同直徑的液滴。調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)左側(cè)的升降裝置，改變針頭位置，從而改變液滴自由落體高度，進(jìn)而控制液滴的撞擊速度。通過(guò)組合不同的針頭的規(guī)格和液滴的自由落體高度，可以實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)液滴的韋伯?dāng)?shù)。

表2所示為試驗(yàn)工況，試驗(yàn)過(guò)程中保持常溫常壓環(huán)境，液滴韋伯?dāng)?shù)We定義為

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Experimental conditions

式中：ρ，v，d和σ分別為入射液滴密度、入射液滴速度、入射液滴直徑以及入射液滴表面張力。

2 破碎過(guò)程分析

2.1 飛濺破碎

液滴撞擊液膜后形成的冠狀結(jié)構(gòu)以飛濺液滴的形態(tài)破碎如圖2所示。在這一過(guò)程中，冠狀結(jié)構(gòu)在其冠狀高度達(dá)到最高值后頂端形成多股射流，冠狀結(jié)構(gòu)由此發(fā)生破碎，形成二次飛濺液滴。

在冠狀結(jié)構(gòu)發(fā)展過(guò)程中，追蹤記錄冠狀結(jié)構(gòu)的冠狀高度Hc和冠頂直徑Dc，并對(duì)其進(jìn)行量綱一化處理，其中量綱一的冠狀高度H*=Hc/d，量綱一的冠頂直徑D*=Dc/d。定義液滴撞擊液膜時(shí)刻為起始時(shí)間，二次液滴出現(xiàn)時(shí)刻為冠狀結(jié)構(gòu)開(kāi)始破碎時(shí)間，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知：冠狀結(jié)構(gòu)的破碎時(shí)刻發(fā)生在冠狀結(jié)構(gòu)達(dá)到最大值時(shí)，這一特點(diǎn)符合WAL 等[14]提出的延時(shí)飛濺特點(diǎn)。當(dāng)冠狀結(jié)構(gòu)開(kāi)始破碎，二次液滴出現(xiàn)后冠狀結(jié)構(gòu)的高度會(huì)維持穩(wěn)定一段時(shí)間。本文中將這一冠狀結(jié)構(gòu)破碎過(guò)程命名為飛濺破碎。當(dāng)冠狀高度達(dá)到峰值以后，冠頂?shù)牟环€(wěn)定邊界在最小阻力原理的作用下形成指狀突起，并發(fā)展為射流，二次液滴飛濺到空間中，冠狀結(jié)構(gòu)開(kāi)始破碎，伴隨著冠狀高度下降，射流之間的液體高度逐漸下降，直至冠狀結(jié)構(gòu)完全消失。形成的多束射流在空間中呈放射狀分布。在冠狀結(jié)構(gòu)的冠狀高度下降的過(guò)程中，整個(gè)冠狀結(jié)構(gòu)仍然能保持一個(gè)相對(duì)一致的高度，不同束射流之間分布間隔較為均勻，二次飛濺液滴空間中呈環(huán)狀分布。冠狀結(jié)構(gòu)頂端的液體掙脫表面張力和重力的作用，飛濺成為二次液滴，在這一過(guò)程中，整個(gè)冠狀結(jié)構(gòu)的多束射流的形成過(guò)程幾乎同步，其結(jié)果就是在空間中形成一個(gè)由飛濺液滴形成的液滴環(huán)。正是由于冠頂射流發(fā)展的同步性，第一批飛濺液滴出現(xiàn)開(kāi)始，到第二批飛濺液滴出現(xiàn)結(jié)束，冠狀高度會(huì)維持穩(wěn)定一段時(shí)間(1.7～2.4 ms)。隨著飛濺破碎過(guò)程的進(jìn)行，第二批二次液滴脫離冠狀結(jié)構(gòu)形成飛濺的液滴，在空間中形成第二層液滴環(huán)。當(dāng)后續(xù)的射流中液體動(dòng)量逐漸減少后，便不能掙脫射流繼續(xù)飛濺，在表面張力的作用下射流斷裂形成鏈狀液滴，一部分液體在重力的作用下回落至液膜表面，冠狀結(jié)構(gòu)的高度也快速下降。

在飛濺破碎過(guò)程中，冠狀結(jié)構(gòu)破碎形成二次液滴的規(guī)律性明顯，呈批次出現(xiàn)，所形成的二次液滴在空間上呈現(xiàn)出較為均勻的間隔環(huán)狀分布，同批次液滴環(huán)的間隔也較為均勻，所有的二次液滴在空間上呈現(xiàn)出放射狀分布，液滴運(yùn)動(dòng)方向不相交，不存在二次液滴間的相互作用，同一批次的二次液滴直徑較為均勻，并且相較入射液滴直徑，飛濺液滴的直徑也較小。

2.2 孔洞破碎

圖4所示為孔洞破碎。從圖4可知：在冠狀結(jié)構(gòu)破碎階段，冠狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)若干孔洞，隨著孔洞的發(fā)展，部分孔洞融合擴(kuò)大，直至冠狀結(jié)構(gòu)完全破碎，本文將這一過(guò)程命名為冠狀結(jié)構(gòu)的孔洞破碎過(guò)程。液滴撞擊薄液膜表面后，形成的冠狀結(jié)構(gòu)在發(fā)展過(guò)程中，內(nèi)部出現(xiàn)了若干個(gè)邊緣圓潤(rùn)的孔洞，并且這些孔洞在隨著時(shí)間逐漸擴(kuò)展。這些孔洞隨著冠狀結(jié)構(gòu)的發(fā)展逐漸向冠頂方向移動(dòng)，并且在移動(dòng)過(guò)程中，初始較小的孔洞逐漸擴(kuò)大，逐漸擴(kuò)展到冠狀結(jié)構(gòu)的邊緣，并且在發(fā)展過(guò)程中與周?chē)目锥慈诤?，進(jìn)而形成更大的孔洞，從而導(dǎo)致冠狀結(jié)構(gòu)破碎。

冠狀結(jié)構(gòu)發(fā)展過(guò)程中孔洞的出現(xiàn)改變了冠狀結(jié)構(gòu)的破碎形式，對(duì)整個(gè)破碎過(guò)程和二次液滴的形成都造成了影響。當(dāng)冠狀結(jié)構(gòu)發(fā)展過(guò)程中有孔洞出現(xiàn)時(shí)，冠狀結(jié)構(gòu)的破碎主要是由冠狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔洞擴(kuò)展和融合主導(dǎo)的，冠狀結(jié)構(gòu)頂部的液滴飛濺便不再是冠狀結(jié)構(gòu)破碎的主要因素。冠狀結(jié)構(gòu)中的孔洞出現(xiàn)位置的隨機(jī)性和孔洞擴(kuò)展與融合過(guò)程中的隨機(jī)性，都使得破碎過(guò)程中形成二次液滴粒徑的不均勻性增加。最終，當(dāng)冠狀結(jié)構(gòu)完全破碎后，形成的二次液滴在空間中的分布如圖4所示，所有的二次液滴在空間分布上相較飛濺破碎所形成的二次液滴更加緊密，并沒(méi)有出現(xiàn)呈批次間隔出現(xiàn)的液滴分布現(xiàn)象，液滴在縱向高度上相較飛濺破碎也更低。

對(duì)于冠狀結(jié)構(gòu)破碎過(guò)程中出現(xiàn)孔洞的機(jī)理，THORODDSEN等[15]對(duì)液滴撞擊液池過(guò)程后形成的冠狀結(jié)構(gòu)的破碎過(guò)程進(jìn)行了研究，認(rèn)為冠狀結(jié)構(gòu)破碎過(guò)程中出現(xiàn)的孔洞是由于Marangoni不穩(wěn)定性導(dǎo)致的。BURZYNSKI 等[6]對(duì)高韋伯?dāng)?shù)(We=4 569)液滴撞擊流動(dòng)液膜的研究中也發(fā)現(xiàn)了孔洞的出現(xiàn)；MARSTON 等[16]在研究固體小球撞擊液池的過(guò)程中，對(duì)撞擊后形成的冠狀結(jié)構(gòu)頂部出現(xiàn)的孔洞進(jìn)行了分析，認(rèn)為撞擊后產(chǎn)生的冠狀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)孔洞的原因主要是由于在形成的冠狀結(jié)構(gòu)中的存在小氣泡，這些小氣泡最終發(fā)展成為孔洞。針對(duì)小氣泡的產(chǎn)生，LIANG 等[17]進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)由氣體夾帶后的空氣塌陷是小氣泡的主要成因，氣體夾帶造成的小氣泡主要分布在液滴與液膜交線處。

對(duì)冠狀結(jié)構(gòu)中孔洞的發(fā)展過(guò)程的分析如圖5所示。從圖5可知：在液滴撞擊液膜初期，液滴下部產(chǎn)生輕微變形向內(nèi)凹陷，發(fā)生氣體夾帶現(xiàn)象，位于液滴與液膜間的夾帶氣體在壓力作用下塌縮為數(shù)個(gè)小氣泡分布于液滴與液膜的交界處，并且隨冠狀結(jié)構(gòu)中液體的運(yùn)動(dòng)，逐漸向冠頂方向移動(dòng)，當(dāng)液體內(nèi)部壓力不足以將小氣泡內(nèi)空氣密封時(shí)，小氣泡在壓差的作用下發(fā)生破裂，發(fā)展成為孔洞，如圖6所示。

2.3 混合破碎

圖7所示為混合破碎。從圖7可知：液滴撞擊液膜后形成的冠狀結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈飛濺，二次液滴通過(guò)飛濺脫離冠頂，同時(shí)冠狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部有孔洞出現(xiàn)，孔洞的發(fā)展也影響著冠狀結(jié)構(gòu)的破碎過(guò)程。液滴撞壁后形成的冠狀結(jié)構(gòu)破碎過(guò)程中，冠頂飛濺和冠狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔洞同時(shí)出現(xiàn)，并且都對(duì)冠狀結(jié)構(gòu)的破碎起著重要作用，本文將該破碎過(guò)程命名為混合破碎。

在圖7所示的試驗(yàn)結(jié)果中，入射液滴韋伯?dāng)?shù)較高，液膜的黏度較小，此時(shí)撞擊后產(chǎn)生的冠狀結(jié)構(gòu)形狀較為不規(guī)則，冠頂邊緣形狀不是圓形，而是鋸齒狀，并且根據(jù)熒光強(qiáng)度判斷，冠狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出褶皺狀，厚度不均。在冠狀結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程中就已經(jīng)有二次液滴從冠頂脫離。由于入射液滴韋伯?dāng)?shù)較大，冠狀結(jié)構(gòu)的破碎過(guò)程十分迅速，在冠狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成的孔洞的發(fā)展相較孔洞破碎不充分，孔洞形狀也更不規(guī)則，這時(shí)，冠狀結(jié)構(gòu)破碎后形成的二次液滴在雙重作用的影響下，呈現(xiàn)出從上到下的鏈狀分布，上部的二次液滴由飛濺產(chǎn)生，而下部的二次液滴主要由孔洞擴(kuò)展融合導(dǎo)致的冠狀結(jié)構(gòu)破碎產(chǎn)生，分布位置較低。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在混合型破碎中觀察到冠狀結(jié)構(gòu)破碎產(chǎn)生的二次液滴中出現(xiàn)較大直徑液滴的次數(shù)較多。使用ImageJ 軟件對(duì)二次液滴粒徑進(jìn)行測(cè)量。相較飛濺破碎產(chǎn)生的最大液滴直徑多在0.15d～0.18d(其中d為入射液滴直徑)，混合破碎中產(chǎn)生的最大液滴直徑可達(dá)0.6d。對(duì)于單液滴撞擊薄液膜產(chǎn)生二次液滴的過(guò)程，尤其是產(chǎn)生大液滴的現(xiàn)象是值得注意的。DAHNZ等[18]對(duì)增壓直噴汽油機(jī)的早燃機(jī)理進(jìn)行研究，認(rèn)為噴霧液滴撞擊機(jī)油油膜并對(duì)機(jī)油油膜稀釋所形成的二次液滴進(jìn)入燃燒室是發(fā)動(dòng)機(jī)早燃的一個(gè)原因。尤其是直徑較大的二次液滴，蒸發(fā)較慢，在燃燒室內(nèi)存在時(shí)間較長(zhǎng)，成分來(lái)源于燃料和機(jī)油油膜2 種不同的組分，飛濺到燃燒室內(nèi)可能就會(huì)引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的早燃。因此，探究單液滴撞擊薄液膜后產(chǎn)生較大直徑的二次液滴的機(jī)理是十分重要的。李翔等[19]運(yùn)用相位多普勒激光測(cè)試系統(tǒng)(PDA)對(duì)噴霧撞壁后粒徑粒速進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)噴霧撞擊機(jī)油油膜后會(huì)出現(xiàn)一些“超大液滴”。在本試驗(yàn)中，基于單液滴撞擊薄液膜的研究表明，液滴撞擊薄液膜后的冠狀結(jié)構(gòu)發(fā)生的混合破碎是產(chǎn)生直徑較大的二次液滴的原因。

圖8 所示為混合破碎中的大液滴。從圖8 可知：在混合型飛濺破碎的過(guò)程中，此時(shí)入射液滴韋伯?dāng)?shù)比圖7中的入射液滴韋伯?dāng)?shù)小，冠狀結(jié)構(gòu)頂部的飛濺破碎進(jìn)行較緩慢，冠狀結(jié)構(gòu)中的孔洞擴(kuò)展和融合過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，使得冠狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔洞破碎更加充分。孔洞破碎的部分冠頂射流失去的后續(xù)飛濺液體的來(lái)源，而孔洞融合的部分則會(huì)造成液體的匯集，這使得冠頂形成的射流分布間隔不再均勻。部分冠頂射流的液體十分集中，因而形成的二次液滴顆粒直徑較大，在視野中顯示為較大的亮點(diǎn)。同時(shí)，由于形成的二次液滴直徑較大，并且有孔洞破碎的作用，二次液滴的形狀較不規(guī)則，飛濺高度較低。由于孔洞的出現(xiàn)也使得冠頂出現(xiàn)的射流在方向上不再呈放射狀分布，而是更加隨機(jī)的分布，因而，在混合破碎過(guò)程中還觀察到二次液滴之間的相互作用。

3 討論

3.1 液膜黏度和入射液滴韋伯?dāng)?shù)對(duì)破碎過(guò)程的影響

根據(jù)上述分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)獲得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)，結(jié)果如圖9所示，由圖9可見(jiàn)：液滴撞擊薄液膜后冠狀結(jié)構(gòu)的破碎類(lèi)型同時(shí)受液膜黏度和入射液滴韋伯?dāng)?shù)的影響。

在相同的液膜黏度條件下，冠狀結(jié)構(gòu)隨著入射液滴韋伯?dāng)?shù)增加，由不破碎演變?yōu)轱w濺破碎、孔洞破碎和混合破碎，液滴撞擊薄液膜后形成的冠狀結(jié)構(gòu)破碎過(guò)程更加劇烈，更傾向于混合破碎。這是因?yàn)樵谳^低的入射液滴韋伯?dāng)?shù)下，液滴速度相對(duì)較低，不足以發(fā)生氣泡夾帶現(xiàn)象，也就無(wú)法為小氣泡的形成以及后續(xù)孔洞的出現(xiàn)提供條件。而隨著入射液滴韋伯?dāng)?shù)進(jìn)一步增加，入射液滴速度更大，為小氣泡的出現(xiàn)提供了條件，同時(shí)液滴動(dòng)量增大，從而導(dǎo)致冠狀結(jié)構(gòu)的飛濺現(xiàn)象更加劇烈，冠狀結(jié)構(gòu)呈混合破碎過(guò)程。

液膜的黏度對(duì)破碎過(guò)程有顯著影響，在較高的黏度下，即使液滴韋伯?dāng)?shù)較高，撞擊液膜后形成的冠狀結(jié)構(gòu)仍有可能不發(fā)生破碎，保持其結(jié)構(gòu)的完整性。這是由于高黏度液膜內(nèi)部剪切力較大，足以保持冠狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以至于不破碎，而隨著液膜黏度降低，液膜內(nèi)部剪切力不足以對(duì)抗液滴撞的動(dòng)量，冠狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，破碎更加劇烈。在相同韋伯?dāng)?shù)條件下，冠狀結(jié)構(gòu)的破碎類(lèi)型隨著液膜黏度下降，逐漸演變?yōu)椴黄扑椤w濺破碎、孔洞破碎和混合破碎。

3.2 臨界韋伯?dāng)?shù)

孔洞破碎作為飛濺破碎和混合破碎之間的中間狀態(tài)，可以作為判斷液滴撞擊液膜后的冠狀結(jié)構(gòu)的破碎狀態(tài)以及冠狀結(jié)構(gòu)破碎產(chǎn)生的二次液滴的特性的依據(jù)。文獻(xiàn)[1]中總結(jié)了當(dāng)前液滴撞擊液膜后的臨界數(shù)模型。當(dāng)前模型多針對(duì)同種液體間撞擊是否產(chǎn)生二次液滴進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且對(duì)于不同破碎形式的臨界數(shù)研究較少。對(duì)孔洞破碎的出現(xiàn)時(shí)的臨界韋伯?dāng)?shù)Wehole和冠狀結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破碎的臨界韋伯?dāng)?shù)Wec進(jìn)行研究，用奧內(nèi)佐格數(shù)Oh來(lái)表征液膜的物性，包括黏度、密度、厚度和表面張力。

對(duì)冠狀結(jié)構(gòu)破碎的臨界韋伯?dāng)?shù)進(jìn)行擬合：

對(duì)冠狀結(jié)構(gòu)孔洞破碎的臨界韋伯?dāng)?shù)進(jìn)行擬合：

通過(guò)給定的液膜的物性參數(shù)和入射液滴的韋伯?dāng)?shù)，可以預(yù)測(cè)液滴撞擊液膜后是否破碎產(chǎn)生二次液滴以及冠狀結(jié)構(gòu)的破碎類(lèi)型。當(dāng)入射液滴韋伯?dāng)?shù)小于等于Wec時(shí)，冠狀結(jié)構(gòu)不破碎。當(dāng)入射液滴韋伯?dāng)?shù)小于Wehole且大于Wec時(shí)，冠狀結(jié)構(gòu)發(fā)生飛濺破碎；當(dāng)入射液滴韋伯?dāng)?shù)等于Wehole時(shí)，冠狀結(jié)構(gòu)發(fā)生孔洞破碎；當(dāng)入射液滴韋伯?dāng)?shù)大于Wehole時(shí)，冠狀結(jié)構(gòu)發(fā)生混合破碎(見(jiàn)圖10)。

4 結(jié)論

1)單液滴撞擊薄液膜后形成的冠狀結(jié)構(gòu)的破碎過(guò)程依據(jù)其破碎特點(diǎn)分為3類(lèi)：飛濺破碎、孔洞破碎和混合破碎。

2)氣體夾帶造成了液滴與液膜交界處的小氣泡，小氣泡伴隨著冠狀結(jié)構(gòu)的發(fā)展發(fā)生破碎，在冠狀結(jié)構(gòu)中變成孔洞，從而導(dǎo)致冠狀結(jié)構(gòu)發(fā)生孔洞破碎。

3)在混合破碎的過(guò)程中，冠狀結(jié)構(gòu)破碎形成的二次液滴中出現(xiàn)大液滴的次數(shù)較多，這是由于在飛濺破碎和孔洞破碎的同時(shí)作用下導(dǎo)致部分射流液體來(lái)源集中，從而形成大液滴，并且在這種情況下發(fā)現(xiàn)有二次液滴間的相互作用。

4)液膜黏度和液滴韋伯?dāng)?shù)對(duì)冠狀結(jié)構(gòu)的破碎過(guò)程有顯著影響，韋伯?dāng)?shù)增加和液膜黏度降低對(duì)破碎過(guò)程的進(jìn)行有促進(jìn)作用，破碎類(lèi)型由飛濺破碎向孔洞破碎和混合破碎演變。通過(guò)臨界數(shù)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況下的冠狀結(jié)構(gòu)破碎過(guò)程預(yù)測(cè)。