液滴高速撞击低温壁面的动态特性及破碎机理研究

2022-12-09雷基林李建微刘懿苟瑶刘阳邓晰文

实验流体力学 2022年5期

雷基林，李建微，刘懿，苟瑶，刘阳，邓晰文

昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，昆明 650500

0 引言

液滴撞击低温固体表面的现象在自然界及生产生活中十分常见，伴随撞壁过程出现的冻结现象对生产生活存在较大危害[1-2]：如冬季雨滴撞击输电线后冻结沉积，造成输电线路的断裂坍塌；飞机高速飞行过程中小水滴冻结附着在机翼、发动机等重要部件上，会严重影响部件的正常工作[3-5]；高原高寒环境下内燃机冷启动时内燃机缸内温度低，燃烧室中喷雾撞击壁面后蒸发混合变差，使得发动机燃烧排放恶化，冷启动困难等[6-7]。因此，研究液滴撞击固体低温表面的动态行为特性具有极其重要的意义。

近年来，许多国内外的学者对液滴撞击固体常温和低温表面的动态行为特性进行了大量的研究。研究发现：液滴撞击速度对液滴铺展有较明显的影响[8]；试验壁面的温度（T）决定了铺展液滴的冻结时间[9]；壁面材料导热率（λ）会影响液滴与壁面之间的换热，常温壁面上高导热率的平板能促进液滴铺展[10]。孙志成等[11]对水滴撞击冷铝表面进行了试验研究，把液滴撞击冷铝表面的动态行为分成了铺展、回缩以及冻结沉积3 类，并得出液滴回缩与冻结沉积之间的临界温度为−20 ℃。Yang 等[12]对过冷水滴撞击圆柱形表面结冰特性进行了可视化试验，分析了液滴的传热特性以及不同材质表面对液滴结冰行为的影响。低温超疏水壁面的撞壁特性也是近年来的研究重点。对超疏水冷壁面而言，壁面温度仅影响液滴撞壁后的反弹高度，对液滴最大铺展因子和铺展时间的影响很小，超疏水表面可有效抑制液滴撞击冷壁面的瞬间冻结沉积[13-15]。学者们还研究了过冷度对液滴铺展的影响，试验结果表明：低温曲面上的液滴铺展要优于常温曲面，因为低温使得液滴底部快速形成冰膜，固液交界面的能量改变使得液滴更容易铺展[16-21]。Mao 等[22]运用试验检验了不同撞击参数对最大铺展直径和液滴反弹的影响，总结出了最大铺展直径与雷诺数（Re）、液滴静态接触角与韦伯数（We）的关系。Xu 等[23]研究了单液滴撞击冷壁面的动态行为，发现液滴撞击的速度越大，铺展的直径越大，增大撞壁的速度可加强液滴铺展后的回缩。

前人的研究主要关注壁面温度、壁面材料、液滴物性对较小撞壁速度（v≤2 m/s）液滴铺展和冻结的影响，极少涉及较大速度液滴铺展和液滴撞壁破碎等问题。因此，本文研究了液滴撞壁速度、壁面材料、壁面温度等因素对液滴撞壁破碎及液滴铺展因子的影响。

1 试验装置及方法

单液滴撞击低温光滑壁面的试验装置如图1 所示。试验在半密封的亚克力箱体中完成，环境温度设置为22 ℃。为避免试验平板壁面结霜影响试验结果准确性，在亚克力箱体中充入二氧化碳气体，以保证试验环境湿度维持在5%以下。整个试验系统可划分为液滴生成系统、半导体制冷系统和测试采集系统。智能微量注射泵和注射器相结合，注射针头内径为0.3 mm，生成液滴的当量直径（D）为2.6±0.1 mm。液滴的撞壁速度的控制误差为±0.15 m/s。试验平板使用半导体制冷片直接冷却。半导体制冷片的热端使用冷却液循环散热器进行冷却，保证壁面温度稳定在目标温度±0.5 ℃。试验过程记录采用OSG030-815UC 高速相机，分辨率为640 像素×400像素，帧率为2 000 帧/s，拍摄记录时间为10 s。

图1 试验系统Fig. 1 Experimental system

表1 展示了试验平板的属性，粗糙度（Ra）用高精度粗糙度测量仪TR200 测得，该仪器测量范围为0.005～16.000 µm，精度为0.001 µm。

表1 试验用板属性Table 1 Test board properties

定义常温壁面温度为不制冷情况下的试验平板温度（即22 ℃），试验工况如表2 所示。液滴的3 种撞壁速度（6.75、5.21、3.86 m/s）通过控制注射泵高度来调节。在试验过程中，为了避免试验数据的偶然性，每组工况重复拍摄20 次。

表2 试验工况Table 2 Experimental conditions

2 试验结果分析

液滴撞击常温壁面时，根据参数设置不同，会发生铺展、回缩、反弹、破碎等现象[24]。但液滴撞击低温壁面时，液滴的铺展、回缩、反弹和破碎存在一定的特殊性，在低温壁面的作用下，液滴铺展后会冻结，液滴破碎飞溅的阈值会降低，反弹作用也会随温度的降低而消失。

2.1 低温壁面液滴破碎特性

一般情况下，液滴高速撞击到光滑壁面上容易发生破碎现象。图2 给出了不同壁面材料液滴的铺展及破碎过程，其中，t 为液滴接触壁面后沿壁面铺展的时间。图2（a）中液滴以v=6.75 m/s 撞击常温铝合金板，液滴快速铺展，未出现破碎现象。当液滴以相同速度撞击低温（−30 ℃）铝合金板时（图2（b）），液滴在铺展过程中发生了即时破碎。液滴在相同工况（v=6.75 m/s，T=−30 ℃）撞击不锈钢板时，也出现了即时破碎现象。然而，当试验平板为亚克力板、T=−30 ℃时，液滴在铺展过程中出现冠状破碎，但仅出现在v=5.21 m/s 工况（图2（c））。其原因是亚克力板的导热率小，传热慢，液滴周围的气体对液滴铺展产生了阻滞作用，使得铺展液滴边缘容易受阻力影响而被抬起向上飞溅，形成冠状结构。

图2 液滴铺展及破碎过程Fig. 2 Droplet spreading and breaking process

液滴撞壁的过程主要取决于液滴惯性力、表面张力以及黏性力之间的相互作用[25]。为准确描述液滴撞壁的动力学特性，引入液滴的无量纲参数We：

式中：ρ为液体的密度，σ为液体的表面张力系数。图3、4 分别为不同入射We 的液滴撞击铝合金板及亚克力板的破碎与不破碎分布情况，通过统计分析得出液滴破碎和不破碎的分界线，如图中虚线所示。虚线左上方红色的部分表示液滴撞击试验平板后未发生破碎现象；而虚线右下方黑色部分则表示液滴发生破碎飞溅。由图可知，液滴撞击铝合金板和亚克力板的破碎分界线趋势相同，这说明壁面材料对低温壁面液滴撞壁破碎边界没有明显影响。当T=−10～22 ℃时，入射液滴需具有较大的We 才能撞壁破碎；当T=−20～−10 ℃时，液滴破碎与不破碎的临界We 随着T 的降低而增大；当T=−30～−20 ℃时，液滴只需较小的We 就能破碎；当T=−30 ℃时，液滴撞击铝合金板的破碎临界We 降低至480 左右。当T=−30 ℃时，液滴撞击亚克力板的破碎临界We 降低至525。造成上述差异的主要原因是亚克力板的导热率小于铝合金板，由此导致液滴撞击同一温度低温壁面时，撞击亚克力板的破碎阈值大于铝合金板破碎阈值。总的来说，随着壁面温度的降低，液滴撞壁破碎的临界We 值减小。当液滴入射We足够小时，即使壁面温度很低，液滴也不会破碎。

图3 液滴撞击铝合金板的破碎和不破碎临界分布Fig. 3 The critical distribution of droplet breaking and unbreaking when hitting aluminum plate

图4 液滴撞击亚克力板的破碎和不破碎临界分布Fig. 4 The critical distribution of droplet breaking and unbreaking when hitting PMMA plate

2.2 液滴撞击低温壁面的反弹与冻结特性

液滴低速撞击常温及低温壁面的现象与液滴高速撞壁不同，如图5 所示。图5（a）中液滴以3.86 m/s的低速撞击常温铝合金板，液滴经历了铺展、回缩、反弹3 个阶段。液滴从壁面反弹是因为液滴在回缩过程中，回缩能量比回缩阶段的能量损失与液滴初始表面势能之和大。由于反弹过程中的能量消耗，反弹部分液滴并未完全脱离壁面。进一步研究发现，液滴以相同的速度撞击不锈钢板及亚克力板，撞击不锈钢板的液滴部分反弹，撞击亚克力板的液滴不存在反弹现象。图5（b）中液滴以3.86 m/s 撞击−20 ℃的铝合金板，由于液滴撞壁速度低、韦伯数小，液滴在回缩过程中由于液膜不断与壁面换热，液滴没有足够能量反弹，液滴回缩后缓慢冻结。在同种温度、速度条件下，液滴撞击不锈钢板也出现了冻结。当试验平板为亚克力板、v=3.86 m/s、T=−20 ℃时，由于亚克力板导热率较小，液膜与壁面的换热减弱，液滴冻结仅发生在固液交界面上。图5（c）中液滴以6.75 m/s 撞击−30 ℃的铝合金板，液滴撞击低温壁面初始阶段与撞击常温壁面相同，即液滴沿撞壁接触点向平板的四周铺展后回缩。但不同的是，液滴在低温壁面上的回缩过程中发生冻结，液滴的铺展直径不再变化，此过程经历了5.25 ms。随着壁面温度的降低，液滴回缩速度减小，液滴冻结的速度加快。液滴以6.75 m/s 的速度撞击−30 ℃不锈钢板和亚克力板时，均出现了类似铝合金板的冻结现象，由于3 种壁面材料的导热率不同，导致铝合金板最早开始冻结，不绣钢板次之，亚克力板最晚。

图5 液滴的反弹与冻结Fig. 5 Droplet rebound and freezing

2.3 液滴撞击低温壁面的铺展特性

液滴撞壁速度、壁面温度以及壁面材料性质均会影响液滴的铺展。由于液滴直径相对较大，在下落过程中会发生轻微的变形，因此在计算过程中用液滴的当量直径来代替液滴的初始直径。研究液滴的铺展过程，主要就是研究液滴的铺展因子随时间的变化过程。液滴铺展因子的计算方法如下[22]：

式中，βx为液滴铺展因子，Dl为实际液滴铺展直径，Dx和Dy分别表示液滴下落过程中的横向及纵向直径。

图6 给出了不同壁面温度下，撞壁速度对液滴在铝合金板上铺展的影响。从图中可以看到，在同一壁面温度下，液滴撞壁速度越大，铺展因子的斜率越大，液滴铺展得越快。进一步研究发现，液滴撞壁速度对液滴在不锈钢板和亚克力板上的铺展均有明显影响。无论对于何种试验板，液滴撞壁速度都是影响液滴铺展快慢的关键性因素。值得注意的是，在低温壁面条件下液滴撞壁速度对铺展因子的影响程度小于常温壁面条件（对铝合金板而言，常温壁面的最大铺展因子达到了6.6，但低温壁面的最大铺展因子仅达到5.7）。

图6 不同撞壁速度对液滴铺展的影响Fig. 6 Influence of different impingement velocities on droplet spreading

不同壁面材料对液滴铺展因子的影响不同，如图7 所示（v=5.21 m/s）。在常温条件下，壁面材料的导热率越大，液滴的铺展因子变化趋势线斜率越大，液滴铺展因子βx越大。但在低温条件下，壁面材料对铺展因子的影响正好与常温条件下的结果相反。其原因在于高导热率的壁面材料受壁面温度影响较大，液滴与平板间的温度梯度大，温度降低导致液滴的表面张力和黏度增大，液滴撞壁后铺展的阻力增大，液滴铺展减慢，βx减小。

图7 不同壁面材料对液滴撞壁铺展的影响Fig. 7 Influence of different wall materials on droplet spreading by impinging on the wall

图8 展示了不同壁面温度对液滴撞壁铺展因子的影响。从图8（a）可以看到，当液滴以6.75 m/s 高速撞击不锈钢板，随着壁面温度的降低，铺展因子βx减小。液滴撞击铝合金板的规律与撞击不锈钢板相同。但液滴高速撞击低温亚克力板时，壁面温度对液滴铺展因子的影响与撞击不锈钢板不同。−10 ℃的液滴铺展因子变化趋势线斜率大于22、−20 和−30 ℃，不符合壁面温度越低，铺展因子越小的规律。当T ≤ −20 ℃时，液滴才遵循壁面温度降低，βx也减小的规律。当液滴以3.86 m/s 低速撞击壁面时，壁面温度对液滴铺展影响不明显，各温度下铺展因子的趋势线基本重合，如图8（b）所示。