壁面浸润性对液滴撞击液面行为的影响

李 享，刘 念，谢 剑,3，徐进良,3*

(1.华北电力大学 低品位能源多相流与传热北京市重点实验室，北京 102206； 2.中国电建集团 重庆工程有限公司，重庆 400060； 3.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)

液滴撞击液面现象的研究始于1875年[1]，先后发现了反弹、漂浮、涡流环及初级气泡现象，并探索出这些现象出现的条件[2-4].随后，在初级气泡现象上发现一类全新现象——射流.液滴撞击液面后，会产生小的凹坑[5]，毛细波随凹坑壁面向下传播，汇聚于凹坑底部，凹坑急速收缩，并升起液柱，随着液滴撞击速度的增大，液柱上升速度也增大，液柱发生碎裂[6-7]，产生一个或多个液滴[8-9]，形成射流.文献[10]总结了液滴撞击液面现象的相关研究结果，绘制出We-Fr分区图，得出了产生高速射流的边界条件.

一般来说，液滴撞击液面行为取决于液滴撞击速度、液滴尺寸、液体黏度[11]等因素.但是，研究人员一直忽略了壁面对液滴撞击液面行为的影响，直到文献[12]发现了一种只存在于壁面附近的新现象——大气泡截留.文献[12]定义无量纲物理量Db*=Db/D表示气泡相对大小，其中D表示试管内径、Db表示气泡直径，根据实验数据得到了Db*随液滴冲击速度线性增加的结论.在此基础上，文献[13]定义无量纲物理量D/d(d为液滴直径)表示壁面的影响程度，根据实验数据绘制出了液滴撞击近壁区液面的We-D/d分区图.

早期科研人员对液滴撞击液面现象的研究始于液滴撞击无限大液面(见图1(a)).2012年以来，少量文献开始报道液滴撞击壁面限制下的有限液面 (见图1(b))的研究结果[12-13].随着纳米技术的发展，不同浸润性表面的制备难题逐渐被攻克，可通过多种方式制备出不同浸润性表面[14-18].研究人员已发现表面浸润性对液滴撞击固体表面有决定性影响[19-21]，笔者则研究液滴撞击不同浸润性壁面限制下有限液面的行为(见图1(c)).

图1 液滴撞击液面的3种类型

1 表面制备和实验装置

1.1 表面制备及表征

实验需要制备3种不同浸润性(超亲水、疏水和超疏水)内壁的试管.制备过程如下：(1)将待处理的试管先后放入丙酮和无水乙醇，然后置于超声波清洗器清洗3 min.(2)将清洗后的试管用去离子水冲洗，氮气吹干.(3)将气泵、压力桶及长管喷枪按图2组装.(4)对要制备的表面，分别按表1配置喷涂溶液.(5)将喷涂溶液倒入压力桶，密封.开启气泵，待压力桶压力达到0.2 MPa时，置喷枪于离试管底部10 mm处，将喷枪开至3档(注：喷枪1档为完全关闭，2档为进气端阀门开启、进料端阀门关闭，3档为进气端及进料端阀门同时开启)，持续2 s左右.随后调整喷枪至2档，使喷枪距试管底部10～40 mm范围以10 mm·s-1速度移动，吹干试管底部.(6)喷涂后将试管倒置，在室温下自然干燥.

图2 喷涂系统

表1 3类喷涂溶液

表面类型喷涂溶液超亲水3%亲水性纳米二氧化硅乙醇溶液疏水子西莱ZXL-CSS纳米自洁液超疏水3%疏水性纳米二氧化硅乙醇溶液

图3(a)中，由于团聚作用，电镜照片中颗粒(亲水性纳米二氧化硅)在表面非均匀分布，测得的静态接触角q=5.4°±2.0o.图3(b)中，表面为一层致密的薄膜，测得的静态接触角q=98.8°±3.2°.图3(c)中，疏水性纳米二氧化硅在表面均匀分布，测得的静态接触角q=146.5°±7.3°.

(a):超亲水试管，接触角5.4°±2.0°;(b):疏水试管，接触角98.8°±3.2°;(c):超疏水试管，接触角146.5°±7.3°.图3 SEM照片及接触角

1.2 实验装置

液滴撞击液面现象的可视化实验系统如图4(a)所示，系统由液滴发生器、3维平移台、高速摄影机(IDT，Motion Pro Y4)以及LED光源(贝阳，LED-600AIII)组成.d表示液滴直径，D表示试管内径，h表示液滴离开针头时刻液滴下沿与试管液面接触线的垂直高度.取D为10，13 mm，d为2，3，4 mm，h为50～900 mm，LED光源功率为30 W，高速摄影的采集频率为4 000 帧·s-1.

为了保证实验过程中液滴落点位于试管中心，笔者巧妙使用镜子校准落点.如图4(b)所示，在试管的一侧放置一面镜子，其放置方向与高速摄影机拍摄方向成角度a，试管与镜子的垂直距离为l.l与a的值不宜过大，否则图像一侧清晰，一侧模糊，建议a小于15o.左右调节试管，使落点位于直线ABC.基于镜像位置A′，B′，C′与实际位置A,B,C的关系，调节试管前后位置.例如，镜像落点处于试管中心左侧的A′点，实际落点位于A点，此时向前移动试管，最终使落点位于试管正中心B点，反之亦然.

图4 实验系统(a)及液滴撞击点校准示意图(b)

2 实 验

2.1 超疏水试管内撞击高度h对液滴撞击液面行为的影响

选取d=3 mm，D=13 mm的超疏水试管，探究不同撞击高度h对液滴撞击液面行为的影响.当撞击高度为50 mm时，如图5(a)所示，形成凹坑并回缩，液面上下震荡后凹坑消失.这一结果与文献[13]中的液滴融合现象相似.高度提高至250 mm时，如图5(b)所示，液滴撞击产生半球形凹坑，凹坑排开的水使液面升高，由于壁面的超疏水特性，顶部的液体向试管中心聚集，使凹坑顶部的气液接触线向内收缩.这种特殊的凹坑收缩方式使射流的射速极快，且直径较小.高度提高至533 mm时，如图5(c)所示，随着撞击高度h的继续增大，射流的速度更快，直径更细.当撞击高度h增大至800 mm时，如图5(d)所示，撞击高度增大，使凹坑扩张的速度增大、液面抬升速度增大、凹坑上侧收缩速度增大，最终将凹坑封盖，形成穹顶气泡，射流现象消失.

(a):h=50 mm，融合；(b):h=250 mm，射流；(c):h=533 mm，射流；(d):h=800 mm，穹顶气泡.图5 超疏水试管内撞击高度h对液滴撞击液面行为的影响

2.2 壁面浸润性对液滴撞击液面行为的影响

选取D=13 mm，d=3 mm,h=450 mm，探究壁面浸润性对液滴撞击液面行为的影响，结果如图6所示.超亲水情况如图6(a)所示，凹坑扩张排开的水附在试管内壁形成一层水膜，并最终回落.疏水和超疏水情况分别见图6(b),(c)，两者凹坑收缩过程中的形状不同.疏水试管内，凹坑下端向内收缩，回弹升起的射流粗且速度小.超疏水试管内，由于壁面的超疏水特性，凹坑顶部气液接触线向内收缩，升起的射流细且速度大.

(a):超亲水，融合；(b):疏水，射流；(c):超疏水，射流.图6 壁面浸润性对液滴撞击液面行为的影响

3 结果与分析

3.1 We-D/d现象分区图

为直观显示各变量对液滴撞击液面结果的影响，以D/d为横坐标，韦伯数We为纵坐标，绘制出We-D/d现象分区图(见图7).由图7可知，壁面越疏水，产生射流现象的撞击高度范围越大.

(a):超水；(b):疏水；(c)：超疏水.图7 We-D/d分区图

3.2 凹坑深度分析

图8为凹坑深度ΔH示意图，凹坑深度ΔH表示在凹坑出现最深的时刻，凹坑底部与两侧液面的高度差.

图8 凹坑深度ΔH示意图

图9为凹坑深度ΔH随撞击高度h的变化情况.由图9可知，其他条件相同，液滴直径d增大，ΔH也随之增大，这是由于液滴直径d越大，液滴初始状态所具有的重力势能越大，撞击后产生的ΔH越大.液滴直径、试管直径及撞击高度相同情况下，壁面越疏水， ΔH越小.

(a)：D=13 mm，d=3 mm;(b)：D=13 mm，d=2 mm.图9 凹坑深度ΔH随撞击高度h的变化

3.3 能量损耗分析

将液滴及试管内的所有液体视为一个系统，将撞击形成的凹坑简化成圆锥，分析液滴下落时刻至凹坑最大时刻系统的能量变化.初始状态能量E1由液滴表面能Edrop、液滴重力势能Ekd、液面表面能Epool以及液面重力势能Ek1组成，其表达式为

E1=Edrop+Ekd+Epool+Ek1=

(1)

当液滴撞击凹坑达到最大高度ΔH时，此时的总能量由水与空气接触部分的表面能E′tap、重力势能Ek2、水与试管内壁接触部分的表面能E′wall组成，其表达式为

E2=E′tap+Ek2+E′wall=

(2)

其中：hwall表示液面接触线高度的变化.

(3)

当凹坑底部低于初始状态液面接触线时，此时hwall为

(4)

撞击过程中的能量损耗系数h为

(5)

将d，D，h，ΔH代入式(5)，得到的计算结果如图10所示.由图10可知，随着液滴撞击高度h的增大，能量损耗系数越大.其他条件相同，液滴直径d越大，能量损耗系数越小.相同条件下，超亲水的能量损耗系数h最高，疏水次之，超疏水最低.综上所述，相同液滴直径、试管直径及撞击高度下，壁面越疏水，能量损耗系数h越小，凹坑收缩后越容易产生射流，此结论与图7的一致.

(a)：D=13 mm，d=3 mm;(b)：D=13 mm，d=2 mm.图10 能量损耗系数h随撞击高度h的变化

4 结束语

笔者采用纳米喷涂方法，制备了内壁具有超亲水、疏水、超疏水浸润性的3种试管，使用高速摄影机记录液滴撞击液面的过程.将凹坑简化成圆锥，对液滴撞击液面前后状态进行能量分析，得出了以下结论：

(1) 当试管内径与液滴直径之比D/d较大时，随着撞击高度的增加，先后出现融合、射流、射流消失现象.

(2) 超疏水试管内，随着撞击高度h的增加，凹坑顶部气液接触线的收缩速度不断增大，将射流夹断，形成穹顶气泡，使射流现象消失.

(3) 液滴直径、试管直径及撞击高度相同的情况下，壁面越疏水，液滴撞击液面形成的凹坑越浅，相应的能量损耗越小，凹坑收缩后越容易产生射流.