摘要:為探究表面張力對(duì)液滴沖擊過冷水平壁面鋪展動(dòng)力學(xué)行為的影響，搭建了可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探究了乙醇液滴沖擊過冷水平壁面的鋪展動(dòng)力學(xué)行為，分析了水平壁面過冷度對(duì)低表面張力液滴沖擊鋪展動(dòng)力學(xué)行為的影響。實(shí)驗(yàn)中，采用親水硅水平壁面及較小的沖擊速度以觀測乙醇液滴沖擊過冷水平壁面的鋪展動(dòng)力學(xué)行為。此外，還比較了不同的最大鋪展因子和最大鋪展時(shí)間的典型模型對(duì)乙醇液滴沖擊過冷水平壁面鋪展動(dòng)力學(xué)因子的適用性。結(jié)果表明:乙醇液滴沖擊過冷親水水平壁面的鋪展動(dòng)力學(xué)行為分為飛濺、鋪展、穩(wěn)定3個(gè)階段;最大鋪展時(shí)間隨水平壁面過冷度的增大而減小;水平壁面過冷度對(duì)最大鋪展因子的影響是非單調(diào)的，在水平壁面過冷度較低時(shí)，最大內(nèi)部鋪展因子減小起主要作用，在水平壁面過冷度較高時(shí)，由于瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的增強(qiáng)，無量綱手指狀突起增大起主要作用，二者共同作用造成了非單調(diào)變化;現(xiàn)有模型對(duì)于最大鋪展時(shí)間的預(yù)測效果較好，相對(duì)平均偏差為6.05%，而對(duì)最大鋪展因子的預(yù)測效果較差。

在日常生活與工業(yè)生產(chǎn)中，液滴沖擊固體水平壁面這一物理過程廣泛存在。例如，拍打在荷葉水平壁面于中心聚集的水滴，下雨天從高空沖擊在雨傘上的雨滴飛濺，內(nèi)燃機(jī)中未燃盡的油滴沖擊燃燒室壁面，航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部小水滴沖擊葉片造成的侵蝕等。因此，深入探究液滴沖擊固體水平壁面的鋪展特性、飛濺特性和鋪展時(shí)間，可以對(duì)液滴沖擊固體水平壁面這一物理過程制定控制策略，這對(duì)我們的日常生活及工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

迄今為止，對(duì)于液滴沖擊水平壁面的動(dòng)力學(xué)行為，已有眾多學(xué)者針對(duì)液滴物性進(jìn)行了一系列研究。

Kulkarni等通過在液體中增加活性劑，改變表面張力，確定了尿素液滴沖擊水平壁面的4種模式，即沉積、熱霧化、回彈和破碎。Lin等利用修正的毛細(xì)慣性時(shí)間，考慮液體黏度和水平壁面潤濕性對(duì)液滴鋪展的影響，得到了描述最大鋪展時(shí)間的修正表達(dá)式。Zhao等研究了黏性液滴對(duì)超重力水平壁面的影響，表明最大鋪展因子隨著韋伯?dāng)?shù)或雷諾數(shù)的增加而增加，但隨著液體黏度的增加而減小。

不僅如此，也有眾多學(xué)者展開了過冷水平壁面的液滴沖擊動(dòng)力學(xué)研究。Ding等利用高速攝像機(jī)，并采用液滴鋪展因子、無量綱高度、特征時(shí)間、反彈能量和二次液滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)來反映動(dòng)力學(xué)行。

Qian等對(duì)冷彈性超疏水膜進(jìn)行了液滴沖擊實(shí)驗(yàn)，研究了水平壁面硬度和沖擊速度對(duì)液滴沖擊過程的影響，與彈性疏水膜相比，彈性超疏水膜具有更強(qiáng)的防冰性能。Castillo等通過冷凍液滴和鄰近液滴之間的熱量和質(zhì)量交換來研究液滴之間的相互作用，在冷凍液滴的最終形狀中觀察到不對(duì)稱性。

Liu等利用流體體積(VOF)法和焓-孔隙度技術(shù)建立了一個(gè)數(shù)值模型，并通過模擬和實(shí)驗(yàn)比較了液滴輪廓和鋪展面積因子。Zhang等利用VOF多相模型和凝固/熔化相變模型，建立了一個(gè)同時(shí)考慮過冷度對(duì)物理性質(zhì)的影響和動(dòng)態(tài)接觸角對(duì)接觸線運(yùn)動(dòng)的影響的數(shù)值模型來模擬液滴的沖擊-凍結(jié)行為。

盡管如此，目前針對(duì)低表面張力液滴沖擊過冷水平壁面的研究仍有所欠缺。液滴在過冷表面上的沖擊和應(yīng)用在生活中也十分常見，例如噴霧凍結(jié)、高空中的過冷水滴沖擊機(jī)翼導(dǎo)致結(jié)冰、過冷噴涂等。本文針對(duì)乙醇液滴沖擊過冷親水水平壁面這一基本物理現(xiàn)象開展實(shí)驗(yàn)，針對(duì)其鋪展動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行分析與討論，旨在探究低表面張力對(duì)液滴沖擊過冷水平壁面的鋪展動(dòng)力學(xué)行為的影響。這一研究有助于加深對(duì)固液接觸現(xiàn)象的理解，為更好的控制固液介面接觸提供有效指導(dǎo)。

1、實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，選擇常溫狀態(tài)下的無水乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%，Tansoole)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。常溫下，該液體的密度ρ為788.69kg/m3，表面張力σ為0.023N/m，黏度μ為0.0012Pa·s，乙醇液滴的初始溫度為20℃。注射泵(Harvard，PHD-Ultra)通過推動(dòng)總量程為5mL的注射器以生成乙醇液滴，當(dāng)針尖處液滴的自身重力大于其表面張力時(shí)，液滴從針尖脫落。針尖的外徑為(0.23±0.02)mm，液滴的初始直徑D0為(1.75±0.08)mm，針尖底部距離過冷水平壁面的距離為335mm，液滴沖擊過冷水平壁面的初速度U0為(2.43±0.19)m/s。使用高速相機(jī)(Ph?otron，F(xiàn)astcam-MiniAX100)拍攝了液滴沖擊過冷水平壁面的過程，拍攝速度為18000幀/s，鏡頭方向與水平方向夾角為54°和0°。

液滴沖擊的水平壁面為硅片(親水光滑硅片)，乙醇液滴在該水平壁面上的靜態(tài)接觸角為8.5°。硅片緊密貼合于一半導(dǎo)體制冷片的冷端，半導(dǎo)體制冷片的熱端與循環(huán)制冷機(jī)(JULABO，CD-300F)的冷卻模塊貼合，通過這種方式，硅片的溫度Ts的范圍為0~-36℃。水平壁面溫度為硅片兩個(gè)對(duì)稱布置的K型熱電偶(Omega，精度為±0.1K)的測量值的平均值。環(huán)境溫度為(20±1)℃，相對(duì)濕度為(35±2)%。為了盡量消除過冷表面結(jié)霜對(duì)表面粗糙度的影響，每次實(shí)驗(yàn)前利用無紡布沿同一方向?qū)?shí)驗(yàn)水平壁面進(jìn)行擦拭。為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次，對(duì)重復(fù)的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，所獲得的標(biāo)準(zhǔn)方差為誤差棒。