摘要：對液滴撞擊固體表面的過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，考察液滴的物性和操作條件對撞擊過程的影響，結(jié)果表明：隨著液滴黏度的增加、或表面張力系數(shù)的增大、或撞擊速度的減小，液滴的鋪展直徑、鋪展速度和鋪展面積均減小；液滴的能量在黏性中的耗散主要發(fā)生在撞擊的初始階段，隨著液滴黏度的增加、或表面張力系數(shù)的減小、或撞擊速度的增大，黏性耗散的速率均增加。本文得到的關(guān)于液滴雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)的關(guān)聯(lián)式可用于預(yù)測液滴的最大鋪展直徑和最大鋪展面積。

液滴撞擊固體表面的現(xiàn)象在過程工業(yè)中較為常見，如橫管降膜蒸發(fā)、噴淋吸收和渦輪機(jī)的冷卻等。在以傳質(zhì)為主要目的的過程中，液滴撞擊固體表面過程中的表面積變化對傳質(zhì)性能有很大的影響。對高速分散反應(yīng)器的氣體吸收性能進(jìn)行的研究中，建立了用于預(yù)測反應(yīng)器傳質(zhì)特性的傳質(zhì)表面積模型；在該模型中，液滴與反應(yīng)器固體表面的碰撞是一個增大傳質(zhì)面積的重要過程。研究物性和操作條件對液滴撞擊固體表面過程中表面積變化的影響，進(jìn)而深入理解此過程，可為此類設(shè)備的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)于液滴撞擊固體表面過程研究的方法主要有實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬。通過定量實(shí)驗(yàn)研究了液滴撞擊靜止的固體表面時鋪展直徑隨時間變化的影響因素，如液滴的撞擊速度、液體的流變性質(zhì)和表面張力、固體表面的粗糙度等，發(fā)現(xiàn)撞擊速度的增加、黏度的減小、表面張力的減小、表面粗糙度的減小均會增大最大鋪展直徑，并提出了一系列最大鋪展直徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。而當(dāng)固體表面處于運(yùn)動狀態(tài)時，在液滴撞擊過程中則通常可以觀察到不對稱的鋪展甚至飛濺。通過實(shí)驗(yàn)研究可以得到液滴撞擊后的不同形態(tài)、液滴物性和撞擊速度對鋪展直徑的影響，以及可預(yù)測液滴最大鋪展直徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，有助于加深對液滴撞擊過程的理解。

針對液滴撞擊固體表面過程的理論分析以能量法最為常見，其主要原理是基于液滴撞擊過程中表面能、動能、黏性耗散三者的總能量守恒。利用此方法可得到液滴的無量綱最大鋪展直徑關(guān)于液滴的韋伯?dāng)?shù)、雷諾數(shù)和靜態(tài)接觸角的表達(dá)式，但因針對液滴內(nèi)黏性耗散的假設(shè)不同，所得到的表達(dá)式有所差異。數(shù)值模擬是研究液滴撞擊固體表面現(xiàn)象的重要手段，通過數(shù)值模擬除了可以得到液滴鋪展直徑、鋪展高度和鋪展速度等宏觀信息外，還能了解液滴內(nèi)部的流場信息，有助于更為深入地理解液滴撞擊過程中鋪展的機(jī)理。

目前文獻(xiàn)中關(guān)于各類因素對液滴鋪展線速度和鋪展面積的影響，以及撞擊過程中液滴的表面能、動能和黏性耗散的變化的研究較少，因此本文采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了液滴的物性和操作條件對其撞擊固體表面過程中的鋪展直徑、鋪展速度和鋪展面積的影響，并結(jié)合能量法對表面能、動能和黏性耗散在撞擊過程中的變化進(jìn)行分析，以揭示液滴撞擊固體表面過程的特點(diǎn)。

1實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。通過注射泵驅(qū)動液體在注射器的針尖處產(chǎn)生液滴，液滴直徑和速度可分別通過針頭內(nèi)徑和針頭高度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。電腦與高速相機(jī)連接，并控制其以486幀/s的頻率記錄液滴撞擊不銹鋼板表面的過程(分辨率320pixel×256pixel)，實(shí)驗(yàn)中圖像的物理分辨率為0.024mm/pixel。傳送帶的平動速度通過調(diào)節(jié)變頻器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

1—電腦；2—電機(jī)；3—變頻器；4—傳送帶；5—光源；6—散光板；7—注射器；8—不銹鋼板；9—高速相機(jī)；10—注射泵。

圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

表1物質(zhì)的物性參數(shù)

表2操作條件參數(shù)

圖2是一個質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的甘油水溶液液滴撞擊靜止固體表面的典型過程。液滴(D0=2.85mm)以0.97m/s的速度撞擊在不銹鋼表面上(t=0ms)，經(jīng)過鋪展達(dá)到最大鋪展面積(t=2.06ms)，隨后經(jīng)歷回縮、再鋪展以及震蕩的過程(t=4.12~18.54ms)，直至達(dá)到平衡。

圖2甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的液滴撞擊靜止的不銹鋼表面(UD=0.97m/s)

液滴的宏觀信息如體積、鋪展直徑、鋪展速度等可以通過圖像識別獲取。本文使用Matlab對高速相機(jī)記錄的液滴照片進(jìn)行去噪、去除雜點(diǎn)、中值濾波、二值化等步驟的處理，再從所得到的二值化圖片中獲取上述參數(shù)。其中，液滴的鋪展速度可由液滴鋪展線在相鄰兩張照片的坐標(biāo)差與拍攝頻率相乘得到。由于液滴在撞擊過程中的形態(tài)始終保持軸對稱，可以使用旋轉(zhuǎn)積分的方法求得液滴的體積。

圖3不同物性和直徑的液滴在撞擊過程中的體積

圖3所示為使用圖像處理的方法得到的4個不同物性和直徑的液滴在撞擊過程中體積隨時間的變化。從圖中可以看到，直徑為2.65mm的水液滴、直徑為3.22mm的水液滴、直徑為2.85mm的純甘油液滴、直徑為2.31mm的乙醇液滴計(jì)算所得體積與初始體積的最大誤差分別為7.7%、14%、2.2%、12%，說明本文采用的圖像處理和分析方法可對液滴撞擊固體表面的過程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定量分析。