液滴高速撞擊低溫壁面的動(dòng)態(tài)特性及破碎機(jī)理研究

雷基林，李建微，劉懿，茍瑤，劉陽(yáng)，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(jiàn)，伴隨撞壁過(guò)程出現(xiàn)的凍結(jié)現(xiàn)象對(duì)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(guò)程中小水滴凍結(jié)附著在機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)等重要部件上，會(huì)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(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)燃燒排放惡化，冷啟動(dòng)困難等[6-7]。因此，研究液滴撞擊固體低溫表面的動(dòng)態(tài)行為特性具有極其重要的意義。

近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)液滴撞擊固體常溫和低溫表面的動(dòng)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(duì)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(shí)間[9]；壁面材料導(dǎo)熱率（λ）會(huì)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(duì)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(dòng)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(duì)過(guò)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(duì)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(lái)的研究重點(diǎn)。對(duì)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(duì)液滴最大鋪展因子和鋪展時(shí)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(guò)冷度對(duì)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ぃ桃航唤缑娴哪芰扛淖兪沟靡旱胃菀卒佌筟16-21]。Mao 等[22]運(yùn)用試驗(yàn)檢驗(yàn)了不同撞擊參數(shù)對(duì)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(dòng)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(duì)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(wèn)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(duì)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(gè)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(cè)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(guò)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(shí)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(cè)量?jī)xTR200 測(cè)得，該儀器測(cè)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(guò)控制注射泵高度來(lái)調(diào)節(jié)。在試驗(yàn)過(guò)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(shí)，根據(jù)參數(shù)設(shè)置不同，會(huì)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(shí)，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(huì)凍結(jié)，液滴破碎飛濺的閾值會(huì)降低，反彈作用也會(huì)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(guò)程，其中，t 為液滴接觸壁面后沿壁面鋪展的時(shí)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(shí)（圖2（b）），液滴在鋪展過(guò)程中發(fā)生了即時(shí)破碎。液滴在相同工況（v=6.75 m/s，T=?30 ℃）撞擊不銹鋼板時(shí)，也出現(xiàn)了即時(shí)破碎現(xiàn)象。然而，當(dāng)試驗(yàn)平板為亞克力板、T=?30 ℃時(shí)，液滴在鋪展過(guò)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(duì)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(guò)程Fig. 2 Droplet spreading and breaking process

液滴撞壁的過(guò)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(dòng)力學(xué)特性，引入液滴的無(wú)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(guò)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(shì)相同，這說(shuō)明壁面材料對(duì)低溫壁面液滴撞壁破碎邊界沒(méi)有明顯影響。當(dāng)T=?10～22 ℃時(shí)，入射液滴需具有較大的We 才能撞壁破碎；當(dāng)T=?20～?10 ℃時(shí)，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(shí)，液滴只需較小的We 就能破碎；當(dāng)T=?30 ℃時(shí)，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(shí)，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(shí)，撞擊亞克力板的破碎閾值大于鋁合金板破碎閾值。總的來(lái)說(shuō)，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(shí)，即使壁面溫度很低，液滴也不會(huì)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(gè)階段。液滴從壁面反彈是因?yàn)橐旱卧诨乜s過(guò)程中，回縮能量比回縮階段的能量損失與液滴初始表面勢(shì)能之和大。由于反彈過(guò)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(guò)程中由于液膜不斷與壁面換熱，液滴沒(méi)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(shí)，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(guò)程中發(fā)生凍結(jié)，液滴的鋪展直徑不再變化，此過(guò)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(shí)，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(kāi)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(huì)影響液滴的鋪展。由于液滴直徑相對(duì)較大，在下落過(guò)程中會(huì)發(fā)生輕微的變形，因此在計(jì)算過(guò)程中用液滴的當(dāng)量直徑來(lái)代替液滴的初始直徑。研究液滴的鋪展過(guò)程，主要就是研究液滴的鋪展因子隨時(shí)間的變化過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)液滴在不銹鋼板和亞克力板上的鋪展均有明顯影響。無(wú)論對(duì)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(duì)鋪展因子的影響程度小于常溫壁面條件（對(duì)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(duì)液滴鋪展的影響Fig. 6 Influence of different impingement velocities on droplet spreading

不同壁面材料對(duì)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(shì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，壁面溫度對(duì)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(shì)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(shí)，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(shí)，壁面溫度對(duì)液滴鋪展影響不明顯，各溫度下鋪展因子的趨勢(shì)線基本重合，如圖8（b）所示。

圖8 不同壁面溫度對(duì)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(guò)對(duì)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(duì)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(shí)，液滴經(jīng)歷了鋪展和回縮2 個(gè)階段，而液滴低速撞擊常溫壁面時(shí)，經(jīng)歷了鋪展、回縮和反彈3 個(gè)階段。液滴高速撞擊低溫壁面時(shí)，液滴在鋪展的同時(shí)出現(xiàn)即時(shí)破碎和冠狀破碎。

2） 液滴撞壁速度對(duì)液滴在常溫和低溫壁面上的鋪展均有影響，但撞壁速度對(duì)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(duì)液滴破碎無(wú)明顯影響，但在一定程度上會(huì)影響液滴鋪展，并且導(dǎo)熱率對(duì)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(shí)，導(dǎo)熱率越大，液滴鋪展因子越大；但液滴撞擊低溫壁面時(shí)，導(dǎo)熱率越大，液滴鋪展因子卻越小。

4） 低溫對(duì)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(duì)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。