壁面弹性对水滴撞击后形态影响的研究

高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集 编号：B-100070 壁面弹性对水滴撞击后形态影响的研究壁面弹性对水滴撞击后形态影响的研究 权生林 郭亚丽 李维仲 沈胜强 朱卫英 （大连理工大学 海洋能源利用与节能教育部重点实验室，辽宁 大连 116024） （联系电话，Email：） 摘 要摘 要： 本实验研究利用高速照相机记录了蒸馏水滴与不同弹性固体平面撞击后的形变过程。在不同 We 数的条件下， 采用直径 1.81mm 的水滴分别对不锈钢与石蜡表面进行撞击实验， 研究参数变化对撞击不 同弹性固体表面后水滴形态变化的影响。实验结果表明：水滴撞击不同弹性固体平面的最大铺展因数 差异很小，而固体表面的弹性越大，水滴撞击后越容易出现回弹现象。碰撞表面弹性较大的石蜡后收 缩稳定时间相比不锈钢表面更长，而且最后稳定的铺展因数小于撞击不锈钢表面。 关键词： 关键词： 固体壁面弹性，水滴，撞击；高速照相机 1 引言 液滴撞击固体表面的现象属于自由表面流动问题，涉及到能源动力、化工、冶金、 航空航天等工业部门。例如喷淋冷却、喷涂喷绘、燃油的喷射、农药的喷洒和雨水对地 面冲刷等等。研究液滴撞击后的铺展问题不仅能更好地了解自由表面流动问题的本质， 而且对于实际生产和现代高科技应用都具有非常积极的意义。 人们对液滴撞击固体表面的过程的实验研究由来已久。 1876 1年Worthington利用一 套实验装置研究了液滴撞击蜡烛火焰熏烤的金属盘子的过程以来。随后Worthington分 别研究了牛奶和水银液滴从不同高度落下撞击金属盘子的过程 2。液滴撞击固体表面后 通常出现 3 种情况，铺展、反弹和迸溅。Riboo 3 等利用实验手段详细研究了液滴撞击 固体壁面的形态变化，揭示了包括反弹、部分反弹、冠状迸溅、破碎等 6 个形态变化的 细节。Engel 4 (1955)发现表面粗糙度对液滴的撞击现象有影响，采用高度磨光的实验 表面会大大减少飞溅现象的出现。 Pasandideh-Fard 5研究了撞击过程中液滴的表面张力 和接触角的影响。对于液滴撞击固体壁面，动力学特性通常用以下 3 个无量纲参数描 国家自然科学基金青年科学基金资助项目（批准号：50906005） 述 6,7： 0 2D V We = （1） DV =Re （2） Re )( 2/1 2/1 We D Oh= （3） 式中：D为液滴的直径， 为液体的密度， 为液滴的表面张力，V 为液滴的撞击前速 度， 为液滴的动力粘度。 这些动力学特性参数对液滴撞击固体表面后的形态变化的影响主要取决于液滴物 理特性， 而撞击固体表面后的形态变化与目标表面的性质也有重要关系， 如表面的形状、 表面粗糙度、表面温度和湿润或干燥等。但是这些研究以及总结的影响液滴撞击后形态 变化的影响因素中，固体表面的弹性并没有被重点关注。本文即是通过研究不同弹性表 面对液滴撞击固体表面的形态变化的影响来揭示液滴与固体壁面撞击后的形态变化特 征。 2 实验装置及方法 实验装置如图 1 所示。该装置主要由产生水滴医用注射器、记录撞击过程的数字高 速摄像机（AOS，Motioner，Switzerland） ，背景光源、滤光片和图像数据采集计算机 等组成。固体壁面分别为不锈钢（Ra=0.11m)和石蜡（Ra=0.15m） 。一台数字高速摄 像仪用来拍摄水滴与固体表面的撞击过程，拍摄速度为 2000 幅/秒，640512 像素。采 用单色高压钠灯作为背景光源，并根据实际情况采用不同颜色的滤光片进行光源调整。 拍摄的图像通过数据采集卡传输到计算机，并可以在计算机上实时显示。每组液滴撞击 图 1 实验装置示意图 实验都反复进行多次，确保液滴的轮廓相对于时间的误差在 %5 以内。实验图像使用 图像分析软件 Image-Pro plus6.0（Media Cybernetics）处理。 实验采用的液滴为蒸馏水，参数如表 1。 表 1 水滴试验参数 液体 动力粘度s （Pas） 表面张力 （N/m） 温度T0 （） 初始直径D0 (mm) 密度 （kg/m3） 蒸馏水 0.914210-372.1310-324 1.810.05 997.2 液滴是通过医用注射器针头产生，液滴直径的大小由针头的直径和长度决定。在实 验中通过使用不同规格的注射器针头产生大小不同的液滴。在实验中要注意用力均匀， 以保证液滴的体积差异不大。认为水滴的形状为球形，液滴的初始直径（D0）采用由 100 滴液滴称重法 算得平均液滴直径。并利用文献 8 提供的经验公式（4）进行估算验证。 3 1 2 3 = g R R tube （4） 式中，为注射器针头的半径， tube R为液体的表面张力，为液体的密度，为重力 加速度。 g 水滴撞击前的初始速度由支架高度调节液滴滴落高度调整，利用 Range和 Feuillebois 9充分考虑到空气阻力对液滴撞击速度的影响得出经验公式（5）计算。 )2exp(1 ()(H g HV = （5） 式中：H为液滴滴落的高度，m； R C water airf 8 3 =； air 为空气密度， 3 m Kg . 3 实验结果与分析 固体表面用 90%的酒精擦拭并热风烘干，将其分别置于试验台架上，调整水滴发射 高度改变其撞击速度，实验的 We 数分别为 2.5、49.0、73.5、98.0、220.5。 如图 2（ We=98.0）所示，当液滴撞击固体表面，液滴就开始在固体表面上铺展。 液滴撞击时的动能在克服粘性力和建立新的液滴形状时被耗散。 而作用在液滴界面上的 表面张力阻止液滴在固体表面上铺展最后引起液滴的回缩。在液滴回缩过程中，液滴的 动能随之增加，而固体壁面的弹性使得这种回缩动能得以加强。由于惯性流动的影响， 液滴的回弹高度逐渐增加直到液滴的动能全部转化为势能。 液滴在达到最大高度后又开 始在固体表面铺展，称为沉积，如图 2a；如果在回缩期间液滴的惯性大到足以使液滴整 体或部分升起并脱离固体表面，称为部分反弹或反弹，如图 2b。在相同 We 数的情况下， 撞击液滴形态不同的主要原因就是固体壁面的弹性对液滴的反弹惯性力起到增强作用。 图 2a 液滴撞击不锈钢表面 (液滴直径 1.81mm，We=98.0) 图 2b 液滴撞击石蜡表面 (液滴直径 1.81mm，We=98.0) 在不锈钢表面上，沉积现象只发生在低 We 数时，随着 We 数的增大，液滴会破碎。 大多数情况下，液滴的底部还是粘附在不锈钢表面上，同时液滴的边缘会不稳定，出现 迸溅现象。而在石蜡固体表面上，液滴在其松弛阶段表现出强烈的反复震荡，在小 We 数的情况下，就观察到了液滴的部分反弹现象：即液滴的上部分离出一个小液滴，并且 随着 We 数的增加，小液滴的大小会增加，直至全部反弹，本试验条件下没有观察到全 部反弹、冠状迸溅与破碎现象。 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 时间(ms) Di/D0 石蜡 不锈钢 图 3 铺展因数变化过程（We=73.5） 如图 3 所示，同时也观察到水滴撞击不同弹性固体平面（不锈钢与石蜡）的最大铺 展因数差异很小。碰撞弹性较大的石蜡表面后收缩稳定时间相比不锈钢表面更长，而且 最后稳定的铺展因数小于撞击不锈钢表面的情况。 4 结论 利用高速摄像技术对在不同 We 数的条件下，水滴分别撞击弹性较大的石蜡表面与 弹性较小的不锈钢表面，通过的图像进行科学处理，得出以下结论： （1）固体壁面弹性对水滴撞击目标表面后的形态变化有重大影响。弹性越大，We 数较低时就出像部分反弹现象；而弹性越小，越容易出现迸溅与破碎现象。 （2）固体壁面弹性对水滴撞击后的最大铺展因数影响很小。 （3）水滴撞击弹性较大壁面收缩稳定时间比撞击弹性较小壁面长。 参 考 文 献 1 WorthinGton AM. On the forms assumed by drops of liquids falling vertically on a horizontal plate. Proc R Soc London 25:261-271. 2 WorthinGton AM. A second paper on the forms assumed by drops of liquids falling vertically on a horizontal plate. Proc R Soc London 25:498-503. 3 R.Rioboo, C.Tropea, M.Marengo. Outcomes from a drop impact on solid surfaces. AT.Sprays. 2001,11:155-65 4 Engel O. A water drop collision with solid surfaces. PJ Res Nat Bur Stand 54:281-298. 5 Pasandideh-Fard, M, Qiao, Y.M., Chandra, S. and Mostaghimi, J, Capillary effects during droplet impact on a solid surface, Phys. Fluids,1996,8(3). 6 Fukai,J., Shiiba, Y., Yamamoto et al, Wetting effects on the spreading of a liquid droplet colliding with a surface: experiment and modeling. Phys. Fluids 1995,7(2): 236-247. 7 D.C.D. Roux a,b, J.J. Cooper-White. Dynamics of water spreading on a glass surface. Colloid and interface science.2004:424-436. 8 Tabakova S,Feuillebois F. On the solidification of a supercooled liquid droplet lying on a surface. Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 272:225-234. 9 M. Rein. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces. Fluid Dynamics Research. 1993. 12(2):61-93 Study on Solid Surface Elasticity Influence Morphology of Water Droplet Impacted onto Solid Surface Quan Shenglin，Guo Yali，Li Weizhong，Sheng Shengqiang，Zhu Weiying （Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian, China，116024） Abstract: his experimental study was to investigate the morphology change of a distilled water droplet impacted on solid surfaces that were provided with elasticity and the entire impaction process of the water droplet was recorded by a high-speed camera and observed visually. In this experiment, the initial droplet diameter was fixed at 1.80.05 mm, and solid materials were stainless steel and olefin, and all experiments were performed in a series of Weber number. The experimental result revealed that the greater flexibility of solid surface, the easier water drop rebound after impact. The maximum spreading factor was little difference when water droplet impacting on different