液滴撞擊疏水球面的高速可視化實驗研究

王程遙, 張 魏, 彭 程

(上海電力大學 能源與機械工程學院, 上海 200090)

液滴撞擊固體表面的現(xiàn)象非常常見,廣泛存在于工業(yè)生產中,例如噴墨打印、噴霧冷卻、燃燒室燃燒等[1-3]。液滴撞擊固體表面受到液滴性質[4]、撞擊速度[5]、撞擊表面[6]和周邊環(huán)境[7]等多種影響因素的共同作用,可能出現(xiàn)鋪展、部分反彈、完全反彈和飛濺等行為特征[8-10]。液滴撞擊壁面是一個復雜的多相流過程,涉及了液滴的瞬態(tài)行為、內在動力學機理等關鍵科學問題,引起了國內外學者的廣泛關注。在噴霧冷卻、化學涂層等領域,液滴在彎曲表面上的撞擊過程通常出現(xiàn)在較小的局部區(qū)域,而球形表面是一種典型的、規(guī)則的曲面,液滴在球面上的碰撞動力學研究對理解液滴在曲面上的碰撞機理具有重要意義[11]。

近年來,國內外科研工作者對液滴撞擊固體表面進行了大量的實驗研究和數(shù)值模擬研究。CHEN M J等人[12]研究了液滴撞擊后的潤濕過程,對液滴撞擊平面和傾斜表面時的三相接觸線和動態(tài)接觸角進行了觀測,分析了液滴尺寸、表面潤濕性、傾斜角度等因素對液滴撞擊行為的影響。TABBARA H等人[13]利用數(shù)值模擬方法,模擬了金屬液滴在固態(tài)平面上的撞擊、鋪展和凝固的瞬間過程,研究了增加撞擊速度后金屬凝固過程的變化情況,分析了金屬液滴撞擊時可能發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。QIN M X等人[14]通過實驗研究了不同液滴撞擊受熱不銹鋼平面后的鋪展和彈跳過程,分析了韋伯數(shù)和萊頓弗羅斯特溫度點對液滴撞擊行為的影響。ZHU Y等人[15]用數(shù)值模擬方法研究了液滴撞擊球體的問題,發(fā)現(xiàn)液滴鋪展階段慣性力處于主導地位,并對球面上液膜的厚度進行了預測,且預測結果與實驗結果吻合度較高。HAO J G[16]研究了表面粗糙度對液滴撞擊產生飛濺的影響,實驗結果表明,粗糙度略微增大時會顯著增強prompt飛濺和corona飛濺,而粗糙度明顯增大時會促進prompt飛濺并抑制corona飛濺,而粗糙度略微增大會增強飛濺的原因是潤濕面積隨著表面粗糙度的增大而減小。IKALO等人[17-19]系統(tǒng)性地研究了水和甘油液滴以不同角度撞擊不同材質固體表面后的行為特征,定性分析了各因素對液滴撞擊行為的影響。

目前,大部分的研究仍著眼于液滴撞擊平面,而實際過程中撞擊面多為帶有一定曲率的球面,考慮到實際應用,本文搭建了可視化實驗平臺,對液滴撞擊球面的動力學行為開展實驗研究,觀測液滴以不同撞擊速度(0.46 m/s,0.79 m/s,1.08 m/s)撞擊不同直徑(8 mm,14 mm,20 mm)的疏水球面,定量表征液滴撞擊過程的動態(tài)行為,并分析液滴撞擊速度和液滴-球體直徑比對液滴撞擊行為特征的影響。

1 實驗系統(tǒng)與方法

液滴撞擊球面實驗系統(tǒng)由計算機、高速攝像機、光源、注射泵、注射器、可調節(jié)高度鐵架臺和不同直徑疏水表面球體組成,具體如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)

實驗時由注射泵推動注射器產生液滴,液滴自由落體撞擊目標球體,高速攝影機拍攝畫面后傳輸?shù)接嬎銠C后處理圖片,抓取數(shù)據(jù)。液滴撞擊速度由調節(jié)掉落高度來控制。不同直徑疏水球體是將玻璃球經過表面處理后得到,制備得到的球面靜態(tài)接觸角為105°±3°,屬于疏水表面。實驗過程中的參數(shù)表征如圖2所示。

圖2 實驗各參數(shù)

選取液滴下降過程中最臨近撞擊時刻的連續(xù)相鄰2張圖片,如圖2(a)所示。根據(jù)幀率計算連續(xù)相鄰2張圖片的時間間隔,記為Δt,液滴中心點在Δt內下降的高度記為Δx,液滴速度v的計算公式為

(1)

取相同工況下多次實驗測得速度的平均值,可認為是液滴撞擊時的真實速度。

在液滴撞擊固體表面的過程中,液滴的鋪展因子是表征液滴鋪展行為的重要參數(shù),其計算公式為

(2)

(3)

式中:D*——液滴無量綱鋪展因子;

d——液滴在疏水球面上的鋪展直徑,即液滴在球面上所鋪展的弧長;

d0——液滴當量直徑[20];

DV,DH——液滴豎直直徑和水平直徑。

DV和DH如圖2(b)所示。經過多次測量取平均值,實驗中液滴當量直徑為2.04 mm。液滴無量綱中心高度h*是另一個表征液滴鋪展行為的重要參數(shù),其計算公式為

(4)

式中:h——液滴中心高度。

h如圖2(c)所示。另外,無量綱時間定義t*為

(5)

式中:t——液滴撞擊時間,液滴與表面接觸時t=0。

液滴-球體直徑比ε為

(6)

式中:D——撞擊球體直徑。

2 實驗結果與分析

2.1 液滴撞擊過程動態(tài)行為研究

為研究液滴撞擊疏水球面后的動態(tài)行為特征,本文通過將液滴以不同速度撞擊球體和相同直徑液滴撞擊不同直徑球面開展了實驗研究。圖3給出了液滴撞擊疏水球面的動態(tài)演化過程(v=0.79 m/s,ε=0.30)。圖4是此工況下液滴撞擊疏水球面行為特征的變化趨勢。

圖3 液滴撞擊疏水球面的動態(tài)演化過程

圖4 液滴撞擊疏水球面行為特征的變化趨勢

液滴撞擊疏水球面后的行為大致可分為鋪展、回縮和振蕩-穩(wěn)定3個階段。鋪展階段從液滴下端接觸球面開始,液滴達到最大鋪展結束。達到最大鋪展同時回縮階段開始,當液滴鋪展因子進行最大幅度縮小后且尚未重新增大時,回縮階段結束。振蕩-穩(wěn)定階段液滴持續(xù)小幅振蕩并最終趨于靜止。當t*=0時,液滴與球面發(fā)生撞擊,以撞擊點為圓心向四周鋪展,在鋪展早期液滴上端依然保持球狀,在較短時間內球面出現(xiàn)表面波且呈階梯狀。隨著鋪展的進行,液滴中心高度逐漸降低,從凸起最終變?yōu)榘枷?。最終液滴鋪展因子達到最大值,D*=1.81,此時液滴中心高度低、邊緣高,液滴中心出現(xiàn)空氣柱,變?yōu)榄h(huán)狀液滴,如圖3(t*=1.60時)所示。此時,圖4中液滴無量綱鋪展因子D*最大,液滴無量綱中心高度h*最小。這是由于邊緣液滴的動能已經耗盡,而中心液滴在動能的驅使下依然向四周擴散,導致中心液量減少從而凹陷。液滴鋪展因子達到最大值后,液滴的鋪展階段結束,回縮階段開始。在液滴表面能的作用下液滴回流,中心部位重新升高,h*由0.29增大到0.58,從凹陷轉為凸起,直到液滴中心高度達到最大值。此時液滴鋪展因子在回縮狀態(tài)下可達到最小值,D*=1.09,液滴回縮階段結束。之后液滴會經歷多次的鋪展-回縮的振蕩周期,并最終趨于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。這就是振蕩-穩(wěn)定階段。在此階段,液滴鋪展因子小于鋪展階段結束時的最大值,大于回縮狀態(tài)結束時的最小值,波動幅度逐漸減小趨于穩(wěn)定,回縮時的液滴中心高度小于最大值且隨時間逐漸降低。由圖4可知,經過多次振蕩后,液滴固液氣三相接觸線不再移動,液滴鋪展因子穩(wěn)定時,D*=1.22,液滴上端振動幅度逐漸減小但振蕩時間長于三相接觸線,液滴中心高度遲于液滴鋪展因子達到穩(wěn)定,穩(wěn)定時液滴中心高度為h*=0.40。最終液滴靜止在球面上呈橢球狀,達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 撞擊速度對液滴撞擊行為特征的影響

撞擊速度對液滴撞擊疏水球面后的行為特征有著明顯的影響。圖5給出了液滴以不同速度撞擊相同直徑疏水球面的動態(tài)演化過程(ε=0.11)。圖6是不同速度下液滴撞擊疏水球面行為特征的變化趨勢。

圖5 液滴以不同速度撞擊疏水球面的動態(tài)演化過程

圖6 液滴以不同速度撞擊疏水球面特征的變化趨勢

圖5中,第1～3張為液滴的鋪展階段,第4～5張為回縮階段,第6張為穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6(a)可知,液滴中心高度在撞擊后經過多次振蕩,振蕩幅度隨撞擊時間的增大而減小。由圖6(b)可知:液滴鋪展因子在液滴撞擊球面后迅速增大,達到最大值后減小并最終趨于穩(wěn)定;液滴鋪展因子最大值與速度成正比,撞擊速度越大,鋪展因子最大值就越大,撞擊速度分別為0.46 m/s,0.79 m/s,1.08 m/s時,鋪展因子最大值分別為1.43,1.85,2.16;而不同撞擊速度的液滴最終達到穩(wěn)定狀態(tài)時鋪展因子較為接近,D*的波動范圍在1.13～1.18,表面液滴動能對液滴的最終狀態(tài)沒有明顯影響。對比圖6(a)和圖6(b)可以發(fā)現(xiàn):固液氣三相接觸線的穩(wěn)定要早于上層液滴的穩(wěn)定;不同撞擊速度時,液滴鋪展因子達到最大值的無量綱時間較為接近,因此鋪展速度隨撞擊速度的增大而增大,且速度變化對鋪展時間影響較小;液滴撞擊速度增加時,液滴慣性力增大,帶來的動能增大,液滴鋪展因子最大值增大,需要克服液滴黏性耗散所需的能量也增大;動能轉變而來的表面能也增大,回縮階段的液滴中心高度隨之增加。

2.3 液滴球體直徑比對液滴撞擊行為的影響

圖7為撞擊速度v=0.79 m/s時,液滴撞擊不同直徑疏水球面的動態(tài)演化過程。圖8為其動態(tài)演化過程中液滴撞擊不同直徑的疏水球面行為特征的變化趨勢。

圖7 液滴撞擊不同直徑疏水球面的動態(tài)演化過程

圖8 液滴撞擊不同直徑疏水球面行為特征的變化趨勢

由圖8(a)可知,液滴中心高度經歷多次振蕩后趨于穩(wěn)定,撞擊速度v相同、液滴-球體直徑比ε不同時,振蕩周期和幅度都接近。由圖8(b)可知:撞擊速度v相同、液滴-球體直徑比ε不同時,液滴撞擊球面鋪展直徑最大值與液滴-球體直徑比ε呈反比,ε增大時,液滴鋪展直徑最大值小幅減小,ε為0.11,0.17,0.30時,D*分別為1.81,1.85,1.86;隨著液滴-球體直徑比ε的增大,液滴各階段持續(xù)時間減少,振蕩穩(wěn)定階段振蕩幅度增大;液滴-球體直徑比ε不同時,液膜在球面上最終穩(wěn)定的鋪展因子接近,說明液滴撞擊球面后,最終穩(wěn)定附著在球面的潤濕面積差異較小。因此,液滴-球體直徑比ε增大對液滴撞擊過程起到了促進的作用,各階段持續(xù)時間小幅度縮短,除此之外,并無明顯影響。

3 結 論

本文搭建了可視化實驗平臺,制備了靜態(tài)接觸角為105°±3°的疏水球面,開展了液滴撞擊疏水球面動力學行為的實驗研究,得到以下主要結論。

(1) 液滴撞擊球面可分為鋪展、回縮和振蕩-穩(wěn)定3個階段。在鋪展階段,液滴鋪展因子達到最大值后回縮,液滴中心高度達到最大值后液滴進入振蕩-穩(wěn)定階段;液滴在鋪展和回縮階段表面有表面波生成,呈現(xiàn)階梯狀;三相接觸線較上層液滴更易達到穩(wěn)定狀態(tài),即固液接觸面穩(wěn)定后氣液接觸面仍將保持一段時間的振蕩狀態(tài)。

(2) 隨著液滴撞擊速度的增大,液滴慣性力增強,液滴鋪展因子和中心高度的最大值均增大,達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間變長;不同撞擊速度時,液滴鋪展因子達到最大值所需的時間接近,因此撞擊速度對鋪展因子達到最大值時間影響較小。

(3) 液滴-球體直徑比對液滴撞擊行為特征影響較小。液滴以相同速度撞擊不同直徑球體,鋪展因子最大值和穩(wěn)定后鋪展因子均接近,且與液滴-球體直徑比各階段持續(xù)時間呈反比。