液滴冲击加热壁面沸腾现象特征分析

梁刚涛，牟兴森，郭亚丽，沈胜强，张吉礼（大连理工大学能源与动力学院，海洋能源利用与节能教育部重点实验室，辽宁 大连 604；大连理工大学土木工程学院，辽宁 大连 604）



液滴冲击加热壁面沸腾现象特征分析

梁刚涛1,2，牟兴森1，郭亚丽1，沈胜强1，张吉礼2
（1大连理工大学能源与动力学院，海洋能源利用与节能教育部重点实验室，辽宁 大连 116024；2大连理工大学土木工程学院，辽宁 大连 116024）

摘要：采用高速摄像仪对液滴冲击加热壁面过程进行实验观测，分析了不同实验流体的沸腾现象特征，探讨了中间射流及宝塔状气泡的形成机理。观测发现，壁温高于液体对应的Leidenfrost温度时水滴撞击后会出现暴沸现象，由于气泡夹带伴随强烈的核化作用，氯化钠溶液液滴撞击后可以观察到中间射流的产生，醇类液滴则发生完全反弹；壁温低于Leidenfrost温度时液滴在加热壁面会出现泡状沸腾现象，与半球形气泡不同，宝塔状气泡出现在液膜厚度较大的区域。此外定量考察了液滴在加热壁面完全反弹时的最大铺展因子，发现铺展因子仅受Weber数影响，与文献结果比较表明本研究得出的铺展因子经验公式可较好地预测液滴在加热壁面的铺展尺度。

关键词：液滴撞击；加热壁面；沸腾；铺展因子；气泡；成像；测量

2015-10-13收到初稿，2016-02-18收到修改稿。

联系人：沈胜强。第一作者：梁刚涛（1986—），男，博士，讲师。

Received date: 2015-10-13.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51506023, 51336001), the China Postdoctoral Science Foundation (2015M571303) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Ministry of Education of China (DUT14RC(3)159).

引　言

液滴碰撞热态壁面过程普遍存在于工程应用中，如水平管降膜蒸发器中液滴对换热管表面的冲击，燃烧室中燃油喷射撞击壁面，微电子系统、安全灭火系统、轧钢和金属铸造表面冷却中采用的喷雾冷却技术等[1]都涉及液滴碰撞热壁过程。液滴撞击高温壁面时会出现沸腾现象，由于液滴沸腾自身具有一定的复杂性和不确定性，其蒸发特征对相关过程往往有着重要影响，对液滴撞击加热壁面的研究一直受到传热领域和相关过程领域科研人员的关注。对此过程的深入理解往往对相应的工程技术起着决定性的作用，成为工程技术发展的关键因素。

对液滴撞击加热壁面沸腾现象的研究见于Wachters等[2]的研究工作，其中Leidenfrost温度TL被定义为液滴最大蒸发时间所对应的壁面温度。当壁温低于TL时，液滴在加热壁面的主要沸腾模式为核态沸腾和过渡沸腾，膜态沸腾则发生在壁温高于TL的条件下[3]。Chaves等[4]重点研究了核态沸腾时液滴内部的气泡特性，发现气泡最大直径随壁温升高而增大，随Weber数(We)升高而减小，其中We定义为

Nikolopoulos等[5]采用VOF方法对过渡沸腾现象进行了数值模拟，不考虑粗糙度及固体壁面内部热传导的影响，假设气液界面处于饱和状态且壁面温度恒定，结果表明过渡沸腾时气泡内部存在气相涡流，气泡体积随壁温升高而增大。陆规等[6]实验指出固体壁面的特性、液滴初始体积等因素对小液滴的沸腾形态和传热影响显著。Cossali等[7]考察了液滴的二次雾化现象，发现二次液滴可能来源于宝塔状气泡顶部的射流，Moita等[8]在其实验中也观察到了这种宝塔状气泡顶部射流，但是他们并未对宝塔状气泡的产生原因做进一步解释。

关于膜态沸腾条件下液滴的铺展过程，液滴与加热壁面之间往往会形成一个约为30 μm厚度的蒸气薄膜[9-10]，阻碍液滴与壁面的直接接触，因此壁面材料对液滴的铺展特性没有影响[11]。Karl等[12]的实验观测和数值计算结果表明液滴最大铺展因子随撞击速度升高或表面张力减小而增大，铺展因子ds*定义为液滴铺展直径ds与液滴直径ddrop的比值

式中，ds为铺展液膜与承载壁面之间的接触直径，如图1所示，而不是铺展液膜两侧边缘之间的距离。

图1　液滴铺展直径的定义Fig.1　Drop spreading diameter definition

Negeed等[13-14]实验考察了膜态沸腾条件下壁面粗糙度(0.04～10 μm)和氧化层厚度(4～8 μm)对液滴最大铺展因子的影响规律，结果显示液滴最大铺展因子随壁面过热度增大而减小，壁面粗糙度与氧化层厚度的比值在0.01～1范围内增加时最大铺展因子增大，壁面粗糙度与氧化层厚度的比值在1～2.5范围内增加时最大铺展因子减小。Tran等[15]发现蒸气膜有一定的润滑作用，使液滴铺展得更广，得出了最大铺展因子正比于We2/5的结论，在后来的研究中进一步将此结果修正为We3/10[16]。Chandra 等[17]则指出最大铺展因子正比于We1/2，而Biance等[18]的结果为We1/4。Hatta等[19]针对We < 50拟合出了最大铺展因子d*s-max的经验公式

由上述研究可以看出对膜态沸腾时液滴最大铺展因子的探索目前仍没有得出一致的结论，有必要对此继续进行深入的讨论。Cossali等[20]实验研究了膜态沸腾时液滴的二次雾化过程，指出液滴在光滑壁面雾化得更好，黏度减小时会出现中间射流的现象，其特性与壁面温度和撞击速度紧密相关，壁面粗糙度影响较小，而Tran等[16]的结果却显示液滴撞击光滑加热壁面时中间射流不出现。中间射流的产生可能是由于撞击点迅速产生中央气泡，随即产生压力波引起的，但是他们并没有给出准确的实验验证。

对加热壁面上液滴沸腾现象的探索，不同研究者关注的焦点不同，而且采用的实验设备、介质、实验参数、数据处理方式等方面往往都存在较大差异，导致得到不同的结论。此外，对于一些细微流动过程，如中间射流、宝塔状气泡等，已有研究缺乏对这些现象的机理性解释。本研究采用高速摄像仪结合高精度温控设备对液滴撞击加热壁面过程进行实验观测和分析，主要考察不同流体的沸腾现象特征及液滴最大铺展因子的变化规律。

1　实验装置和方法

液滴撞击加热壁面的实验装置与撞击倾斜及弯曲润湿壁面[21-22]类似，主要设备为Phantom V12.1高速摄像仪和Tokina微距镜头(100 mm，f-2.8)，摄像仪保持水平，此外还包括提供热源的WXD 1510恒温加热仪，功率为600 W。将撞击平板水平放置于恒温加热仪表面，其中撞击平板为50 mm×50 mm×1.4 mm的不锈钢板，壁面经过打磨，确保粗糙度小于0.05 μm。恒温加热仪的加热面尺寸为100 mm×150 mm，最高加热温度可达450℃，控制精度为±0.1℃。采用Yokogawa 2524点温计对撞击点处的壁面温度进行标定。在本研究中撞击板壁面温度Tw的变化范围为220～384℃。每次实验开始前采用去离子水和丙酮清洗撞击面以确保壁面的清洁。

实验中产生液滴的针头内径为0.31 mm，采用水、丁醇、乙醇和质量分数为5.21%的氯化钠溶液作为实验流体，物性参数、液滴直径、20℃室温时的静态接触角和撞击速度见表1。液滴直径可由像素分析法得出，测量误差为0.025 mm，接触角的测量误差为1°。撞击速度取液滴与壁面接触前0.5 ms内的平均速度，精度为±0.05 m·s−1。定义Reynolds 数Re为

表1　实验条件Table 1　Experimental conditions

表1对应的量纲1参数范围见表2。

表2　量纲1参数范围Table 2　Range of non-dimensional parameters

2　结果和分析

2.1液滴沸腾现象

图2　水滴暴沸Fig.2　Water drop explosive boiling

当壁温为384℃时，水滴撞击加热壁面后会出现暴沸的现象，如图2所示，图中We为21。图片中的数字代表演化时间(单位为ms)，0 ms对应液滴与加热壁面的接触时刻。可以看出，当液滴达到最大铺展尺度时，在铺展液膜中心区域产生许多向上运动的二次液滴(2.8～3.5 ms)，同时液膜开始向内回缩，在10.0 ms时发生反弹。铺展液膜中心区域的液体与加热壁面接触最早，这部分液体能够吸收较多的热量，从而在液滴底部产生小气泡。随着液膜厚度的不断减小，液膜中心区域的气泡发生爆炸，迫使液体向上喷出，形成许多微小的二次液滴。

保持壁温不变，氯化钠溶液液滴撞击加热壁面时其沸腾现象呈现出不同的特征，如图3所示，图中We为22。液滴与壁面接触后，在颈部区域迅速产生向四周运动的射流，同时液滴内部会出现液柱(0.3 ms)。随着时间的增加，液滴底部沸腾过程变得剧烈，液柱冲出液滴上表面并继续向上运动，形成中间射流(1.1～3.0 ms)，5.0 ms时在动力学不稳定性作用下破裂成多个小液滴。相比图2中水滴的暴沸现象，氯化钠溶液液滴的沸腾现象具有以下两个特征：溶液液滴产生的二次液滴主要沿径向运动，水滴产生的二次液滴沿竖直方向向上运动；溶液液滴撞击加热壁面后会出现中间射流现象，水滴撞击后观察不到中间射流的产生。

中间射流的产生主要是由两方面的共同作用造成的。一方面，液滴撞击加热壁面后在液-固界面中央会出现气泡夹带现象，夹带气泡为核化过程提供了基础，这一点通过Mehdizadeh等[23]的实验可以得到验证，同时他们指出壁面温度和撞击速度不影响夹带气泡的出现。另一方面，由于液滴中含有氯化钠溶解盐，进一步强化了气泡核化过程，加上溶液表面张力大，使得小气泡不易脱离液滴，能量汇集在小气泡处。在这两方面因素的共同作用下，加热壁面与气泡空间的热对流大幅增强，在液滴内部产生一个向上运动的压力波，推动其上部液体形成液柱，从而进一步形成中间射流。降低壁温时观察不到液柱及中间射流的产生，这主要是由于气泡与加热壁面之间的传热量不足以产生压力波造成的。

图3　氯化钠溶液液滴中间射流Fig.3　Central jet of sodium chloride solution drop

在本研究实验范围内，醇类液滴撞击加热壁面后始终出现完全反弹现象。以丁醇为例，图4为液滴反弹过程，图中壁温和We分别为384℃和22。需要指出的是，图4中的液滴反弹现象不同于液滴撞击疏水壁面出现的反弹，后者的主要驱动力由液滴表面能和撞击能决定，而前者液滴底部液体汽化产生的蒸气压同样有助于液滴从加热壁面脱离，发生反弹。

图4　丁醇液滴完全反弹Fig.4　Full rebound of butanol drop

根据Gottfried等[24]的研究，水的TL高于饱和温度150～210℃，而其他液体的 TL高于饱和温度100～105℃。在本研究中，水、5.21%氯化钠溶液、丁醇和乙醇在常压下的饱和温度分别为100、100.8、117.5和78.4℃，因此图2～图4所示沸腾现象均发生在壁温高于TL的条件下。当壁温低于TL时，液滴撞击后会在加热壁面出现泡状沸腾现象，如图5所示，图中壁温为220℃，We为21～22。由于壁温较低，蒸气压不足以驱动液滴脱离壁面，因此整个铺展液滴都出现沸腾现象，大量的二次液滴从主液滴脱离，这个过程一直持续到泡状沸腾结束。

图5　液滴泡状沸腾Fig.5　Bubbly boiling

图6　泡状沸腾中的两种气泡Fig.6　Two types of bubbles in bubbly boiling

图6为水滴泡状沸腾中出现的两种主要气泡，图6(a)为带有顶端射流的宝塔状气泡，图6(b)为不带射流的半球形气泡。实验中发现这两种气泡的出现带有一定的随机性。分析认为，在液膜厚度较大的区域快速生长的气泡推动其上部的液体向上运动形成射流，构成宝塔状气泡；而在液膜厚度较小的区域大部分液体可能会直接形成半球形气泡，由于液膜太薄，观察不到射流的出现。气泡不断长大，当气泡压力超过表面张力时两种气泡发生爆炸，形成二次液滴，因此在泡状沸腾中二次液滴不仅源于宝塔状气泡顶端的射流，同时也源于两种气泡的破裂。

图7　壁温和We对液滴最大铺展因子的影响Fig.7　Drop maximum spreading factor

2.2液滴最大铺展因子

图7为醇类液滴最大铺展因子d*s-max随壁温和We的变化。可以看出，壁温几乎不对最大铺展因子产生影响，这主要是由于壁温明显高于TL引起的；随着We的升高，撞击能量增加，铺展因子增大。由图7还可以看出乙醇和丁醇的最大铺展因子曲线几乎重合，可见液体物性对最大铺展因子影响较小。

在已公开发表的文献中[10, 18, 25]，常采用式(5)所示模型预测液滴的最大铺展因子

按照上述模型对本研究实验数据进行回归分析，可得出液滴最大铺展因子的经验公式

为了对式(6)进行充分的验证，采用Chaves等[4]、Biance等[18]、Hatta等[19]、Karl等[26]、Chen等[27]的实验或模拟结果以及Akao等[25]的经验公式计算结果与式(6)的计算值进行比较，所有数据绘入图8。可以看出，式(6)与文献中的实验及模拟结果一致性较好；当We<50时Akao等[25]的经验公式可较好地预测液滴的最大铺展因子，但是当We>50时他们的预测值相对实验值偏高，并且随We升高Akao等[25]的预测结果与本文预测结果的差值逐渐增大。对于高We条件下液滴的铺展过程，图8中虽然仅有一个实验值，但是式(6)相对Akao等[25]的经验公式仍能较好地预测液滴最大铺展因子，因此本文得出的最大铺展因子经验公式优于Akao等[25]的经验公式，适用性更广泛。

图8　与文献结果的比较Fig.8　Comparison with results in literature

3　结　论

（1）壁温高于TL时，水滴撞击加热壁面后会发生暴沸，氯化钠溶液液滴出现中间射流，醇类液滴则发生完全反弹；壁温低于TL时，出现液滴泡状沸腾现象。

（2）中间射流的形成主要是由于气泡夹带伴随溶液强烈的核化作用造成的。

（3）泡状沸腾中二次液滴源于宝塔状气泡顶端的射流及半球形气泡与宝塔状气泡的破裂。

（4）液滴完全反弹时，最大铺展因子随We升高而增大，壁温和流体物性不对其产生影响。

（5）通过与文献中的结果比较发现，本研究得出的最大铺展因子经验公式可较好地预测液滴的铺展尺度，优于文献中的经验公式。

符号说明

a——指数项

C——常数项

ddrop——液滴直径，mm

ds——液滴与壁面的接触直径，mm

d*s,d*s-max——分别为液滴铺展因子和液滴最大铺展因子

Re——Reynolds数

TL——Leidenfrost温度，℃

Tw——壁面温度，℃

v——撞击速度，m·s−1

We——Weber数

µ——液体黏度，Pa·s

ρ——液体密度，kg·m−3

σ——表面张力系数，N·m−1

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Characteristic analyses of boiling phenomena in process of drops impingement on heated surfaces

LIANG Gangtao1, 2, MU Xingsen1, GUO Yali1, SHEN Shengqiang1, ZHANG Jili2
(1Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education, School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China;2School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)

Abstract:An experimental process of liquid drops impingement on heated surfaces was observed using a high-speed digital camera, for which characteristics of boiling phenomena with different fluids were analyzed, and formation mechanisms of the central jet and pagoda-like bubbles were also discussed. At the surface temperature above the Leidenfrost point when the water drops impingement on the surfaces, a phenomenon of explosive boiling occurred, while that of the central jet happened for the drops of sodium chloride solution due to bubble entrainment with dramatic nucleation, and that of alcohol drops rebound entirely appeared. Otherwise, at the surface temperature below the Leidenfrost point, bubbly boiling was observed, for which different from hemispherical bubbles, pagoda-like bubbles appeared at the thicker film region. Moreover, the maximum spreading factor during drop rebound on heated surfaces was investigated quantitatively, which only can be influenced by the Weber number. Compared with the literatures, the empirical correlation of the spreading factor in this study can well predict the drop spreading scale on heated surfaces.

Key words:drop impact; heated surface; boiling; spreading factor; bubble; tomography; measurement

中图分类号：O 359+.1

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）06—2211—07

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151549

基金项目：国家自然科学基金项目（51506023，51336001）；中国博士后科学基金项目（2015M571303）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（DUT14RC(3)159）。

Corresponding author:Prof. SHEN Shengqiang, zzbshen@dlut.edu.cn