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(cè)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(cè)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(cè)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(rùn)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(cè)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。