亲水与超疏水高温球体入水空泡实验研究

李佳川， 魏英杰， 孙 钊， 王 聪

(1. 哈尔滨工业大学 航天学院， 哈尔滨 150001； 2. 上海航天控制技术研究所， 上海 200233；3. 上海市空间智能控制技术重点实验室， 上海 200233)

运动体冲击液面进入液体的过程中会发生复杂的流动现象，并伴随有喷溅和空泡的形成。入水问题与航空航天、航海和军事应用息息相关[1-3]。入水空泡的存在会对空投鱼雷、入水导弹的结构和弹道特性产生很大的影响，因此入水空泡问题一直受到国内外学者的广泛关注。

Worthington等[4]利用闪光照相机首次得到了喷溅和空泡图像，分析了速度，液体黏度、密度、表面张力等因素对喷溅特性的影响。May[5]研究了球体表面特性对入水空泡的影响，结果表明表面被污染的球体相比于表面光洁的球体可以在较小的入水速度下形成空泡。近年来运动体的表面润湿性对入水问题的影响逐渐得到关注。Duez等[6]结合实验和理论研究，推导出可以形成空泡的临界速度与球体表面润湿性的关系式。Duclaux等[7]对疏水性球体入水空泡的演化过程进行了理论推导，得到的空泡深闭合位置与实验结果有较好的一致性。孙钊等[8]采用VOF多相流模型对亲水性及疏水性球体的入水空泡特性进行了数值仿真研究，数值结果与实验结果有较好的一致性，研究结果表明亲水性球体在下落过程中受到的阻力较小。

目前仅有少数学者研究球体温度对入水空泡形成及形态特性的影响。Marston等[9]采用相比于水具有较低沸点和汽化潜热的氟化液体，研究了温度对空泡形成的影响，结果表明当球体温度远高于氟化液体沸点时，落入液体后球体周围形成一层由膜态沸腾产生的稳定蒸汽膜，并使球体可以在较低速度下形成具有光滑壁面的空泡。李佳川等[10]开展了不同温度球体垂直入水实验研究，结果表明，随着温度的变化，球体与周围水之间的传热方式与传热强度发生改变，汽化产生的汽泡扰动或稳定的蒸汽层改变了球体周围水的流动状态，从而影响了空泡的生成和形态。

本文对高温亲水性与超疏水性球体入水空泡的演化特性进行了实验研究，首次研究了球体表面润湿性与温度的耦合作用对入水空泡形态特性的影响。本文首先对比了室温环境下，亲水球体和超疏水球体的入水空泡形态，然后进行了亲水性与超疏水性高温球体水中静止冷却过程沸腾形态特性实验研究，最后采用高、低两种温度水，研究了亲水性与超疏水性球体在核态沸腾和膜态沸腾阶段的入水空泡形态特性，分析了水温、球温、入水速度和表面润湿性对入水空泡形态特性的影响。

1 实验系统及方法

试验装置示意如图1所示。球体为未经处理的Gcr15轴承钢，直径D0=20 mm，密度ρs=7 810 kg/m3，由制造商给出的球体平均粗糙度为Ra<0.06 μm。实验前先后用酒精和水对球体表面进行清洗，以排除表面玷污对实验的影响。水箱由钢化玻璃与耐热玻璃胶制成，高度为60 cm，截面尺寸为30 cm×30 cm，底部铺有耐热缓冲胶垫以防止球体冲击和高温损坏底部玻璃。为防止水面喷溅对拍摄产生影响，实验过程中水面高度保持在50 cm。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

用加热设备加热水箱中的水，并用搅拌棒进行搅拌，使水温均匀。用马弗炉将球体加热到指定温度并维持40 min以上，当水温达到指定温度后，将球体取出放置在电磁释放装置上并立即进行入水实验。实验所采用的水温为Tw=28°C和95°C，球体的初始温度Ts=28°C～350°C，实验期间室温为28°C±2°C。

实验采用Photron FASTCAM SA-X型高速摄像机对球体入水现象进行拍摄，拍摄帧率为5 000 fps。实验中使用一组6×500 W的点阵光源通过柔光屏散射后照射水域，以达到均匀的背景光照环境，部分实验采用前照灯，来观察入水后球体表面的流动状况。通过处理图像数据可以得到入水速度U0。为保证实验的可重复性，每组实验均进行两次以上。

超疏水性球体采用商业涂层溶剂(Glaco Mirror Coat “Zero”, Soft 99 Co.)进行制备。先后用水和酒精清洗球体表面，待球体表面自然干燥后向球体倾倒涂层溶剂，一薄层液体将球体润湿，并在一分钟内干燥，在300°C温度下加热球体半个小时，并重复这个过程3～4遍。球体可以保持其超疏水性直至温度到达400°C。图2为超疏水球体制备前后表面液滴形态图。其中制备前液滴与球体表面的接触角约为30°，表现为亲水性，制备后液滴与球体表面的接触角约为160°，表现为超疏水性。

(a) 亲水球体

(b) 超疏水球体图2 亲水性与超疏水性球体表面水滴形态Fig.2 Water droplet shape on the surface of hydrophilic and superhydrophobic spheres

2 室温球体入水空泡形态

Duclaux等提出，当入水速度超过临界速度时，球体会产生入水空泡，低于这个临界速度时球体将无法形成入水空泡。图3所示为亲水性球体入水形态，球体温度与水温均为室温(28℃)。当入水速度较低时无空泡产生(图3(a))，液面以上仅有一段细小的水柱隆起，当入水速度较高时，有较完整的入水空泡形成(图3(b))，将球体的后半部分完全包裹。球体撞击水面瞬间，有一层较薄的溅水膜产生，溅水膜的运动方式决定着入水空泡能否形成。如图3(c)所示，溅水膜紧贴球体表面运动，球体将无法形成入水空泡，图3(d)所示，溅水膜在撞水后与球体表面发生分离，空气进入溅水膜与球体之间的空隙随着球体一同向下运动，形成入水后的空泡，黑色箭头所示为该时刻溅水膜在球体表面运动的末端位置。

U0=3.4 m/s(a)U0=5.6 m/s(b)

U0=3.4 m/s(c)U0=5.6 m/s(d)

图3 亲水球体入水形态

Fig.3 Water-entry characteristics of hydrophilic spheres

Duez等的研究表明，球体入水空泡临界速度的大小与球体表面的润湿性有关，球体表面疏水性越高，入水空泡临界速度就越低，当球体表面为超疏水性时，及疏水角大于150°时，临界速度逐渐趋于0。图4所示为不同入水速度条件下超疏水表面球体的入水空泡形态对比，球体温度与水温均为室温(28℃)。图4(a)～4(d)为深闭合时球体入水空泡形态,图4(e)～4(f)由于拍摄视场的限制，展示的为与图4(d)相同入水深度的空泡形态。可以看到相比于图3所示的亲水性球体，超疏水性球体可以在极低的入水速度条件下形成入水空泡，亲水性球体空泡壁面比较粗糙，疏水性球体空泡壁面比较光滑。

3 高温球体水中冷却形态

将加热到350°C的球体，快速放置在电磁装置上，将球体缓慢地浸入95°C水中并保持静止，进行高温球体水中自然冷却实验，图5所示为亲水性与超疏水性高温球体在95°C水中冷却过程沸腾形态。在球体浸入水中的初始阶段，由于球体壁面温度较高，球体周围汽化成的水蒸汽快速汇聚在一起，在球体表面形成一层蒸汽膜，球体处于膜态沸腾阶段。由于水蒸汽的传热能力远小于水，球体与周围水的热量传递较弱，因此该沸腾阶段进行得比较平缓。蒸汽膜在浮力的作用下向上运动，使蒸汽膜表面发生波动，并在球体顶部形成蒸汽堆积，随着时间的增加，波动与堆积现象减弱。对于亲水性球体，如图5(a)所示，随着时间的增加，球体表面温度降低，当达到25.3 s时，球体表面温度无法维持蒸汽膜，蒸汽膜发生破裂，沸腾现象比较剧烈，此后球体与周围水直接接触，进入核态沸腾阶段，当达到37.3 s时，沸腾现象基本消失。对于超疏水性球体，如图5(b)所示，球体的整个沸腾过程均处于膜态沸腾阶段，在球体冷却过程的初始阶段，较高的壁面温度使蒸汽膜维持在球体周围，当壁面温度逐渐降低时，球体表面的疏水特性维持着蒸汽膜，在蒸汽膜逐渐变薄并消失的整个过程中，蒸汽膜均没有发生破裂，沸腾过程进行得比较平稳。

U0=0.3 m/s(a)U0=0.6 m/s(b)U0=0.8 m/s(c)

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

图4 不同入水速度超疏水球体入水空泡形态

Fig.4 Cavity characteristics of superhydrophobic spheres at different impact velocities

图6所示为加热到350°C的亲水性与超疏水性球体在28°C水中的沸腾形态，其中图6(a)对应的浸入水中的时刻为2 s，图6(b)对应的浸入水中的时刻为10 s。对于亲水性球体，由于水的温度较低，汽化的强度较弱，生成的汽泡较小，在球体表面汽化生成的水蒸汽难以汇聚在一起形成蒸汽膜，因此球体浸入水中后立即进入如图6(a)所示的核态沸腾阶段。对于超疏水性球体，由于表面微观特性的影响，表面结构贮存有空气，仅有小部分面积与水实际接触，汽化的汽泡与留有的空气混合在一起较易形成蒸汽膜，蒸汽膜的存在使光线发生折射，使球体看起来比实际小，图6(b)黑色箭头端所示为显示出的球体外表面。350°C超疏水性球体，在28°C水中的整个冷却过程与如图5(b)所示的95°C水中一样，均不存在蒸汽膜的破裂过程，与95°C水中相比，在28°C水中，由于水温较低生成的蒸汽较少，蒸汽膜较薄，蒸汽膜表面不存在波动，且在球体顶端汇聚的蒸汽较少。

(a) 亲水球体

(b) 超疏水球体图5 350°C亲水性与超疏水性球体95°C水中冷却过程沸腾形态Fig.5 Boiling characteristics during cooling process of 350°C hydrophilic and superhydrophobic spheres in 95°C water

(a) 亲水球体(b) 超疏水球体

图6 350°C亲水性与超疏水性球体28°C水中沸腾形态

Fig.6 Boiling characteristics of 350°C hydrophilic and superhydrophobic spheres in 30°C water

4 95°C水中高温球体入水空泡形态

图7所示为不同入水速度200°C的亲水性球体落入95°C水中的入水空泡形态。将球体加热到200°C，球体入水后发生核态沸腾，不断有汽泡在球体周围产生。李佳川等[10]的研究表明，扰动的汽泡增强了球体表面流动的湍动性，使球体在较小速度下可以形成入水空泡。如图7(a)所示，相比于图3(a)所示的室温球体，200°C亲水球体在较小的速度下便形成了完整的入水空泡。与超疏水性室温球体低速入水形成的光滑空泡壁面不同，200°C的亲水性球体形成的空泡壁面由于汽泡的扰动变得比较粗糙，且随着入水速度的增加，扰动逐渐增强。当速度达到5.6 m/s时，如图7(c)所示，汽泡波动较强，在水力作用下，空泡壁面隆起部分向上传递。

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

图7 95°C水中200°C亲水性球体入水空泡形态

Fig.7 Cavity characteristics of hydrophilic spheres at 200°C withTw=95°C

图8所示为不同入水速度350°C的亲水性球体落入95°C水中的入水空泡形态。如图8(a)所示，将球体加热到350°C，在1.2 m/s入水速度条件下形成了类似于常温超疏水性球体入水时形成的光滑空泡。一滴液滴冲击固体壁面，如果壁面是疏水的，液滴撞击后会发生反弹。Biance等[11]的研究指出，当液滴冲击温度足够高的固体壁面时，在液滴与壁面之间会形成较薄的一层蒸汽膜，这层蒸汽膜会使液滴撞击后发生反弹。因此，膜态沸腾阶段的蒸汽膜可能与疏水性具有相同的特性。从Quéré[12]的研究中可以发现，液滴与300°C金属板之间的接触角约为160°，进一步证明了膜态沸腾阶段产生的蒸汽膜具有疏水特性。从图7(a)到图8(a)亲水性球体产生的入水空泡随着温度的升高变得光滑，说明沸腾阶段从核态沸腾转化为膜态沸腾，一层稳定的蒸汽膜在球体表面生成。

使液滴反弹所需要的固体壁面的最低温度称为Leidenfrost温度，此时汽化产生的蒸汽压力刚好可以克服液滴的动态压力。类似的情况，如图8(a)所示，蒸汽膜的压力可以克服球体下落过程中受到水的动压，随着入水速度的升高，蒸汽膜受到水的动压增大，无法维持稳定，如图8(b)，(c)所示，不稳定的蒸汽膜使空泡壁面受到扰动，形成不稳定的入水空泡。

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

图8 95°C水中350°C亲水性球体入水空泡形态

Fig.8 Cavity characteristics of hydrophilic spheres at 350°C withTw=95°C

图9所示为不同入水速度150°C的超疏水性球体落入95°C水中的入水空泡形态。可以看到，相比于图4所示的室温情况，球体周围的汽泡使光滑的空泡壁面产生褶皱，这种空泡壁面与150°C亲水球体产生的粗糙空泡壁面不同(其中150°C亲水球体产生的空泡与图7所示200°C亲水球体产生的空泡类似，仅是沸腾现象较弱)。说明150°C的超疏水性球体入水空泡形态受疏水性和温度两个条件的耦合影响。

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

图9 95°C水中150°C超疏水性球体入水空泡形态

Fig.9 Cavity characteristics of superhydrophobic spheres at 150°C withTw=95°C

图10所示为不同入水速度200°C的超疏水性球体落入95°C水中的入水空泡形态。从图9到图10，随着温度的升高，球体再次变得光滑，因为球体沸腾进入了膜态沸腾阶段，传热强度减弱，沸腾现象变得平稳，稳定的蒸汽膜具有和疏水性相类似的性质。如图8(a)所示，亲水性球体在350°C较高温度且入水速度较低的情况下才能够形成稳定的蒸汽膜并产生光滑的入水空泡。相比之下超疏水性球体在200°C的较低温度下便可以发生膜态沸腾，形成光滑的入水空泡，并且随着入水速度的增加，蒸汽膜依然保持稳定，空泡壁面保持光滑。可以证明，对于95°C的高温水，超疏水性球体相比于亲水性球体可以在较低球温条件下形成稳定的蒸汽膜，并且随着速度的增加，超疏水性球体形成空泡的抗扰动能力更强。

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

图10 95°C水中200°C超疏水性球体入水空泡形态

Fig.10 Cavity characteristics of superhydrophobic spheres at

200°C with Tw=95°C

5 28°C水中高温球体入水空泡形态

图11所示为200°C亲水与超疏水球体和28°C超疏水球体在1.2 m/s入水速度条件下，落入28°C水中的空泡形态对比。如图11(a)所示，28°C超疏水球体入水后形成了具有极其光滑壁面的入水空泡。图11(b)所示，对于亲水性球体，核态沸腾产生的汽泡扰动使球体产生具有粗糙壁面的入水空泡。图11(c)所示，由于温度产生的核态沸腾与疏水性的共同影响，200°C超疏水球体产生了带有褶皱壁面的光滑空泡。类似于图9所示的150°C超疏水性球体落入95°C水中，该阶段形成的入水空泡形态受球体温度与疏水性的耦合影响。

图12所示为不同入水速度350°C的亲水性球体落入28°C水中的入水空泡形态。Yagov等[13-14]的研究表明，在低温度水中，稳定的膜态沸腾很难发生，随着水温的升高，存在一种特殊的膜态沸腾阶段，该阶段的传热强度远高于稳定的膜态沸腾阶段，沸腾现象非常剧烈。图12所示，球体入水沸腾现象较为剧烈，没有形成如图8(a)所示的光滑入水空泡，沸腾阶段处于核态沸腾末期阶段或扰动的特殊膜态沸腾阶段，在本文中并没有对具体的沸腾阶段进行深入研究。当速度较低时，如图12(a)，(b)所示，强烈的扰动使球体无法形成入水空泡，在球体尾部存在剧烈汽化形成的蒸汽云。当速度达到5.6 m/s时，如图12(c)所示，球体无法形成完整的入水空泡，形成的部分汽泡在强烈的扰动和较高的传热强度下破裂成分散的汽泡。

图11 28°C水中1.2 m/s入水速度空泡形态对比Fig.11 Comparison of cavity characteristics at impact velocity of 1.2 m/s with Tw=28°C

图12 28°C水中350°C亲水性球体入水空泡形态

Fig.12 Cavity characteristics of hydrophilic spheres at 350°C withTw=28°C

图13所示为不同入水速度350°C的超疏水性球体落入28°C水中的入水空泡形态。如图6(b)所示，350°C的超疏水性球体在28°C水中静止冷却整个沸腾过程一直处于膜态沸腾阶段。而当球体以一定速度入水时，如图13所示，稳定的蒸汽膜无法维持，空泡壁面受到的扰动较大。当入水速度为1.2 m/s时，如图13(a)所示，球体入水仅有部分空泡生成，随着入水速度的增加，如图13(b)，(c)所示，由于速度的影响，有较完整的空泡生成，由于受到疏水性的影响，350°C的超疏水性球体相比于图12所示的亲水性球体生成较充分的空泡。相比于95°C水，在28°C水中稳定的膜态沸腾较难发生，球体在较高温度下无法形成光滑的入水空泡。由此可见水温影响着沸腾传热的强度与沸腾方式，对入水空泡的生成与形态有较大影响。

U0=1.2 m/s(a)U0=3.4 m/s(b)U0=5.6 m/s(c)

图13 28°C水中350°C超疏水性球体入水空泡形态

Fig.13 Cavity characteristics of superhydrophobic spheres at 350°C withTw=28°C

6 结 论

本文通过实验方法研究了高温亲水性与超疏水性表面球体入水空泡形态特性，分析了表面润湿性、水温、球温和入水速度对入水空泡形态特性的影响，主要得到以下结论：

(1) 对于28°C室温球体与室温水，亲水性表面球体在较高速度下才可以形成入水空泡且空泡壁面比较粗糙，超疏水性球体在较低入水速度下便可以形成入水空泡且空泡壁面比较光滑。

(2) 350°C亲水性球体在95°C水中的冷却过程首先处于膜态沸腾阶段，一层蒸汽膜包裹在球体表面，温度降低后蒸汽膜发生破裂进入核态沸腾阶段，350°C亲水性球体浸入28°C水中立即进入核态沸腾阶段；350°C超疏水性球体在95°C和28°C水中的整个冷却过程中，一直处于膜态沸腾阶段，没有发生蒸汽膜破裂过程直到沸腾现象逐渐消失。

(3) 200°C亲水性球体落入95°C水中，由于核态沸腾产生的汽泡扰动，在1.2 m/s的较低入水速度下便形成了粗糙的入水空泡，随着速度的增加扰动加剧，空泡壁面更加粗糙，当球体温度达到350°C时，在1.2 m/s入水速度下，球体周围生成了稳定的蒸汽膜，形成了光滑的入水空泡，随着速度的增加，蒸汽膜的扰动使空泡壁面发生扰动。

(4) 150°C超疏水球体落入95°C水中，受到疏水性与温度的耦合影响，生成了带有褶皱的光滑空泡，当温度达到200°C，球体周围形成的稳定蒸汽膜使入水空泡壁面变得光滑；相比于亲水性球体，超疏水球体在较低温度下便可以发生稳定的膜态沸腾，且随着入水速度的增加光滑的空泡壁面不易受到扰动。

(5) 在28°C水中，稳定的膜态沸腾较难发生，对于350°C的亲水性球体，由于剧烈的沸腾强度影响，无法生成较完整的入水空泡；对于350°C超疏水性球体，由于疏水性的影响，在1.2 m/s入水速度下可以生成部分空泡，随着速度的增加可以生成较完整的空泡。