液滴高速撞擊低溫壁面的動態(tài)特性及破碎機(jī)理研究

雷基林，李建微，劉懿，茍瑤，劉陽，鄧晰文

昆明理工大學(xué) 云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500

0 引 言

液滴撞擊低溫固體表面的現(xiàn)象在自然界及生產(chǎn)生活中十分常見，伴隨撞壁過程出現(xiàn)的凍結(jié)現(xiàn)象對生產(chǎn)生活存在較大危害[1-2]：如冬季雨滴撞擊輸電線后凍結(jié)沉積，造成輸電線路的斷裂坍塌；飛機(jī)高速飛行過程中小水滴凍結(jié)附著在機(jī)翼、發(fā)動機(jī)等重要部件上，會嚴(yán)重影響部件的正常工作[3-5]；高原高寒環(huán)境下內(nèi)燃機(jī)冷啟動時內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)溫度低，燃燒室中噴霧撞擊壁面后蒸發(fā)混合變差，使得發(fā)動機(jī)燃燒排放惡化，冷啟動困難等[6-7]。因此，研究液滴撞擊固體低溫表面的動態(tài)行為特性具有極其重要的意義。

近年來，許多國內(nèi)外的學(xué)者對液滴撞擊固體常溫和低溫表面的動態(tài)行為特性進(jìn)行了大量的研究。研究發(fā)現(xiàn)：液滴撞擊速度對液滴鋪展有較明顯的影響[8]；試驗(yàn)壁面的溫度（T）決定了鋪展液滴的凍結(jié)時間[9]；壁面材料導(dǎo)熱率（λ）會影響液滴與壁面之間的換熱，常溫壁面上高導(dǎo)熱率的平板能促進(jìn)液滴鋪展[10]。孫志成等[11]對水滴撞擊冷鋁表面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，把液滴撞擊冷鋁表面的動態(tài)行為分成了鋪展、回縮以及凍結(jié)沉積3 類，并得出液滴回縮與凍結(jié)沉積之間的臨界溫度為?20 ℃。Yang 等[12]對過冷水滴撞擊圓柱形表面結(jié)冰特性進(jìn)行了可視化試驗(yàn)，分析了液滴的傳熱特性以及不同材質(zhì)表面對液滴結(jié)冰行為的影響。低溫超疏水壁面的撞壁特性也是近年來的研究重點(diǎn)。對超疏水冷壁面而言，壁面溫度僅影響液滴撞壁后的反彈高度，對液滴最大鋪展因子和鋪展時間的影響很小，超疏水表面可有效抑制液滴撞擊冷壁面的瞬間凍結(jié)沉積[13-15]。學(xué)者們還研究了過冷度對液滴鋪展的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：低溫曲面上的液滴鋪展要優(yōu)于常溫曲面，因?yàn)榈蜏厥沟靡旱蔚撞靠焖傩纬杀?，固液交界面的能量改變使得液滴更容易鋪展[16-21]。Mao 等[22]運(yùn)用試驗(yàn)檢驗(yàn)了不同撞擊參數(shù)對最大鋪展直徑和液滴反彈的影響，總結(jié)出了最大鋪展直徑與雷諾數(shù)（Re）、液滴靜態(tài)接觸角與韋伯?dāng)?shù)（We）的關(guān)系。Xu 等[23]研究了單液滴撞擊冷壁面的動態(tài)行為，發(fā)現(xiàn)液滴撞擊的速度越大，鋪展的直徑越大，增大撞壁的速度可加強(qiáng)液滴鋪展后的回縮。

前人的研究主要關(guān)注壁面溫度、壁面材料、液滴物性對較小撞壁速度（v≤2 m/s）液滴鋪展和凍結(jié)的影響，極少涉及較大速度液滴鋪展和液滴撞壁破碎等問題。因此，本文研究了液滴撞壁速度、壁面材料、壁面溫度等因素對液滴撞壁破碎及液滴鋪展因子的影響。

1 試驗(yàn)裝置及方法

單液滴撞擊低溫光滑壁面的試驗(yàn)裝置如圖1 所示。試驗(yàn)在半密封的亞克力箱體中完成，環(huán)境溫度設(shè)置為22 ℃。為避免試驗(yàn)平板壁面結(jié)霜影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，在亞克力箱體中充入二氧化碳?xì)怏w，以保證試驗(yàn)環(huán)境濕度維持在5%以下。整個試驗(yàn)系統(tǒng)可劃分為液滴生成系統(tǒng)、半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)和測試采集系統(tǒng)。智能微量注射泵和注射器相結(jié)合，注射針頭內(nèi)徑為0.3 mm，生成液滴的當(dāng)量直徑（D）為2.6±0.1 mm。液滴的撞壁速度的控制誤差為±0.15 m/s。試驗(yàn)平板使用半導(dǎo)體制冷片直接冷卻。半導(dǎo)體制冷片的熱端使用冷卻液循環(huán)散熱器進(jìn)行冷卻，保證壁面溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度±0.5 ℃。試驗(yàn)過程記錄采用OSG030-815UC 高速相機(jī)，分辨率為640 像素×400像素，幀率為2 000 幀/s，拍攝記錄時間為10 s。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Experimental system

表1 展示了試驗(yàn)平板的屬性，粗糙度（Ra）用高精度粗糙度測量儀TR200 測得，該儀器測量范圍為0.005～16.000 μm，精度為0.001 μm。

表1 試驗(yàn)用板屬性Table 1 Test board properties

定義常溫壁面溫度為不制冷情況下的試驗(yàn)平板溫度（即22 ℃），試驗(yàn)工況如表2 所示。液滴的3 種撞壁速度（6.75、5.21、3.86 m/s）通過控制注射泵高度來調(diào)節(jié)。在試驗(yàn)過程中，為了避免試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偶然性，每組工況重復(fù)拍攝20 次。

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Experimental conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

液滴撞擊常溫壁面時，根據(jù)參數(shù)設(shè)置不同，會發(fā)生鋪展、回縮、反彈、破碎等現(xiàn)象[24]。但液滴撞擊低溫壁面時，液滴的鋪展、回縮、反彈和破碎存在一定的特殊性，在低溫壁面的作用下，液滴鋪展后會凍結(jié)，液滴破碎飛濺的閾值會降低，反彈作用也會隨溫度的降低而消失。

2.1 低溫壁面液滴破碎特性

一般情況下，液滴高速撞擊到光滑壁面上容易發(fā)生破碎現(xiàn)象。圖2 給出了不同壁面材料液滴的鋪展及破碎過程，其中，t 為液滴接觸壁面后沿壁面鋪展的時間。圖2（a）中液滴以v=6.75 m/s 撞擊常溫鋁合金板，液滴快速鋪展，未出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。當(dāng)液滴以相同速度撞擊低溫（?30 ℃）鋁合金板時（圖2（b）），液滴在鋪展過程中發(fā)生了即時破碎。液滴在相同工況（v=6.75 m/s，T=?30 ℃）撞擊不銹鋼板時，也出現(xiàn)了即時破碎現(xiàn)象。然而，當(dāng)試驗(yàn)平板為亞克力板、T=?30 ℃時，液滴在鋪展過程中出現(xiàn)冠狀破碎，但僅出現(xiàn)在v=5.21 m/s 工況（圖2（c））。其原因是亞克力板的導(dǎo)熱率小，傳熱慢，液滴周圍的氣體對液滴鋪展產(chǎn)生了阻滯作用，使得鋪展液滴邊緣容易受阻力影響而被抬起向上飛濺，形成冠狀結(jié)構(gòu)。

圖2 液滴鋪展及破碎過程Fig. 2 Droplet spreading and breaking process

液滴撞壁的過程主要取決于液滴慣性力、表面張力以及黏性力之間的相互作用[25]。為準(zhǔn)確描述液滴撞壁的動力學(xué)特性，引入液滴的無量綱參數(shù)We：

式中：ρ為液體的密度，σ為液體的表面張力系數(shù)。圖3、4 分別為不同入射We 的液滴撞擊鋁合金板及亞克力板的破碎與不破碎分布情況，通過統(tǒng)計(jì)分析得出液滴破碎和不破碎的分界線，如圖中虛線所示。虛線左上方紅色的部分表示液滴撞擊試驗(yàn)平板后未發(fā)生破碎現(xiàn)象；而虛線右下方黑色部分則表示液滴發(fā)生破碎飛濺。由圖可知，液滴撞擊鋁合金板和亞克力板的破碎分界線趨勢相同，這說明壁面材料對低溫壁面液滴撞壁破碎邊界沒有明顯影響。當(dāng)T=?10～22 ℃時，入射液滴需具有較大的We 才能撞壁破碎；當(dāng)T=?20～?10 ℃時，液滴破碎與不破碎的臨界We 隨著T 的降低而增大；當(dāng)T=?30～?20 ℃時，液滴只需較小的We 就能破碎；當(dāng)T=?30 ℃時，液滴撞擊鋁合金板的破碎臨界We 降低至480 左右。當(dāng)T=?30 ℃時，液滴撞擊亞克力板的破碎臨界We 降低至525。造成上述差異的主要原因是亞克力板的導(dǎo)熱率小于鋁合金板，由此導(dǎo)致液滴撞擊同一溫度低溫壁面時，撞擊亞克力板的破碎閾值大于鋁合金板破碎閾值?？偟膩碚f，隨著壁面溫度的降低，液滴撞壁破碎的臨界We 值減小。當(dāng)液滴入射We足夠小時，即使壁面溫度很低，液滴也不會破碎。

圖3 液滴撞擊鋁合金板的破碎和不破碎臨界分布Fig. 3 The critical distribution of droplet breaking and unbreaking when hitting aluminum plate

圖4 液滴撞擊亞克力板的破碎和不破碎臨界分布Fig. 4 The critical distribution of droplet breaking and unbreaking when hitting PMMA plate

2.2 液滴撞擊低溫壁面的反彈與凍結(jié)特性

液滴低速撞擊常溫及低溫壁面的現(xiàn)象與液滴高速撞壁不同，如圖5 所示。圖5（a）中液滴以3.86 m/s的低速撞擊常溫鋁合金板，液滴經(jīng)歷了鋪展、回縮、反彈3 個階段。液滴從壁面反彈是因?yàn)橐旱卧诨乜s過程中，回縮能量比回縮階段的能量損失與液滴初始表面勢能之和大。由于反彈過程中的能量消耗，反彈部分液滴并未完全脫離壁面。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，液滴以相同的速度撞擊不銹鋼板及亞克力板，撞擊不銹鋼板的液滴部分反彈，撞擊亞克力板的液滴不存在反彈現(xiàn)象。圖5（b）中液滴以3.86 m/s 撞擊?20 ℃的鋁合金板，由于液滴撞壁速度低、韋伯?dāng)?shù)小，液滴在回縮過程中由于液膜不斷與壁面換熱，液滴沒有足夠能量反彈，液滴回縮后緩慢凍結(jié)。在同種溫度、速度條件下，液滴撞擊不銹鋼板也出現(xiàn)了凍結(jié)。當(dāng)試驗(yàn)平板為亞克力板、v=3.86 m/s、T=?20 ℃時，由于亞克力板導(dǎo)熱率較小，液膜與壁面的換熱減弱，液滴凍結(jié)僅發(fā)生在固液交界面上。圖5（c）中液滴以6.75 m/s 撞擊?30 ℃的鋁合金板，液滴撞擊低溫壁面初始階段與撞擊常溫壁面相同，即液滴沿撞壁接觸點(diǎn)向平板的四周鋪展后回縮。但不同的是，液滴在低溫壁面上的回縮過程中發(fā)生凍結(jié)，液滴的鋪展直徑不再變化，此過程經(jīng)歷了5.25 ms。隨著壁面溫度的降低，液滴回縮速度減小，液滴凍結(jié)的速度加快。液滴以6.75 m/s 的速度撞擊?30 ℃不銹鋼板和亞克力板時，均出現(xiàn)了類似鋁合金板的凍結(jié)現(xiàn)象，由于3 種壁面材料的導(dǎo)熱率不同，導(dǎo)致鋁合金板最早開始凍結(jié)，不繡鋼板次之，亞克力板最晚。

圖5 液滴的反彈與凍結(jié)Fig. 5 Droplet rebound and freezing

2.3 液滴撞擊低溫壁面的鋪展特性

液滴撞壁速度、壁面溫度以及壁面材料性質(zhì)均會影響液滴的鋪展。由于液滴直徑相對較大，在下落過程中會發(fā)生輕微的變形，因此在計(jì)算過程中用液滴的當(dāng)量直徑來代替液滴的初始直徑。研究液滴的鋪展過程，主要就是研究液滴的鋪展因子隨時間的變化過程。液滴鋪展因子的計(jì)算方法如下[22]：

式中，βx為 液滴鋪展因子，Dl為實(shí)際液滴鋪展直徑，Dx和Dy分別表示液滴下落過程中的橫向及縱向直徑。

圖6 給出了不同壁面溫度下，撞壁速度對液滴在鋁合金板上鋪展的影響。從圖中可以看到，在同一壁面溫度下，液滴撞壁速度越大，鋪展因子的斜率越大，液滴鋪展得越快。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，液滴撞壁速度對液滴在不銹鋼板和亞克力板上的鋪展均有明顯影響。無論對于何種試驗(yàn)板，液滴撞壁速度都是影響液滴鋪展快慢的關(guān)鍵性因素。值得注意的是，在低溫壁面條件下液滴撞壁速度對鋪展因子的影響程度小于常溫壁面條件（對鋁合金板而言，常溫壁面的最大鋪展因子達(dá)到了6.6，但低溫壁面的最大鋪展因子僅達(dá)到5.7）。

圖6 不同撞壁速度對液滴鋪展的影響Fig. 6 Influence of different impingement velocities on droplet spreading

不同壁面材料對液滴鋪展因子的影響不同，如圖7 所示（v=5.21 m/s）。在常溫條件下，壁面材料的導(dǎo)熱率越大，液滴的鋪展因子變化趨勢線斜率越大，液滴鋪展因子βx越大。但在低溫條件下，壁面材料對鋪展因子的影響正好與常溫條件下的結(jié)果相反。其原因在于高導(dǎo)熱率的壁面材料受壁面溫度影響較大，液滴與平板間的溫度梯度大，溫度降低導(dǎo)致液滴的表面張力和黏度增大，液滴撞壁后鋪展的阻力增大，液滴鋪展減慢，βx減小。

圖7 不同壁面材料對液滴撞壁鋪展的影響Fig. 7 Influence of different wall materials on droplet spreading by impinging on the wall

圖8 展示了不同壁面溫度對液滴撞壁鋪展因子的影響。從圖8（a）可以看到，當(dāng)液滴以6.75 m/s 高速撞擊不銹鋼板，隨著壁面溫度的降低，鋪展因子βx減小。液滴撞擊鋁合金板的規(guī)律與撞擊不銹鋼板相同。但液滴高速撞擊低溫亞克力板時，壁面溫度對液滴鋪展因子的影響與撞擊不銹鋼板不同。?10 ℃的液滴鋪展因子變化趨勢線斜率大于22、?20 和?30 ℃，不符合壁面溫度越低，鋪展因子越小的規(guī)律。當(dāng)T ≤ ?20 ℃時，液滴才遵循壁面溫度降低，βx也減小的規(guī)律。當(dāng)液滴以3.86 m/s 低速撞擊壁面時，壁面溫度對液滴鋪展影響不明顯，各溫度下鋪展因子的趨勢線基本重合，如圖8（b）所示。

圖8 不同壁面溫度對液滴撞壁鋪展因子的影響Fig. 8 Influence of different wall temperature on droplet spreading by impinging on the wall

3 結(jié) 論

通過對單液滴高速撞擊光滑常溫及低溫壁面的可視化試驗(yàn)研究，分析了液滴撞擊低溫壁面的飛濺現(xiàn)象，研究了撞壁速度、壁面溫度、壁面材料對液滴鋪展的影響，得到如下結(jié)論：

1）液滴高速撞擊常溫光滑壁面時，液滴經(jīng)歷了鋪展和回縮2 個階段，而液滴低速撞擊常溫壁面時，經(jīng)歷了鋪展、回縮和反彈3 個階段。液滴高速撞擊低溫壁面時，液滴在鋪展的同時出現(xiàn)即時破碎和冠狀破碎。

2） 液滴撞壁速度對液滴在常溫和低溫壁面上的鋪展均有影響，但撞壁速度對液滴鋪展的影響在常溫壁面上更為明顯，其最大鋪張因子達(dá)到了6.6。

3） 壁面材料對液滴破碎無明顯影響，但在一定程度上會影響液滴鋪展，并且導(dǎo)熱率對液滴鋪展因子的影響在常溫和低溫條件下是相反的。液滴撞擊常溫壁面時，導(dǎo)熱率越大，液滴鋪展因子越大；但液滴撞擊低溫壁面時，導(dǎo)熱率越大，液滴鋪展因子卻越小。

4） 低溫對高速液滴鋪展有明顯的抑制作用，隨著壁面溫度降低，液滴鋪展因子逐漸減小。但低溫對低速液滴鋪展抑制作用較小，低速液滴的鋪展因子不隨溫度的降低而改變。