摘要：對液(ye)(ye)滴(di)撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)固體表(biao)面(mian)(mian)的(de)過程進行實驗研究，考察液(ye)(ye)滴(di)的(de)物性(xing)和(he)(he)(he)操作(zuo)條件對撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)過程的(de)影響，結果(guo)表(biao)明：隨(sui)著液(ye)(ye)滴(di)黏度(du)(du)(du)的(de)增加、或(huo)表(biao)面(mian)(mian)張力系數(shu)的(de)增大(da)(da)、或(huo)撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)速(su)度(du)(du)(du)的(de)減小(xiao)(xiao)(xiao)，液(ye)(ye)滴(di)的(de)鋪展(zhan)(zhan)直徑(jing)、鋪展(zhan)(zhan)速(su)度(du)(du)(du)和(he)(he)(he)鋪展(zhan)(zhan)面(mian)(mian)積均(jun)減小(xiao)(xiao)(xiao)；液(ye)(ye)滴(di)的(de)能(neng)量(liang)在黏性(xing)中的(de)耗(hao)散主要發生在撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)的(de)初(chu)始(shi)階段，隨(sui)著液(ye)(ye)滴(di)黏度(du)(du)(du)的(de)增加、或(huo)表(biao)面(mian)(mian)張力系數(shu)的(de)減小(xiao)(xiao)(xiao)、或(huo)撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)速(su)度(du)(du)(du)的(de)增大(da)(da)，黏性(xing)耗(hao)散的(de)速(su)率均(jun)增加。本(ben)文(wen)得到的(de)關于(yu)液(ye)(ye)滴(di)雷(lei)諾(nuo)數(shu)和(he)(he)(he)韋伯數(shu)的(de)關聯式可用于(yu)預測(ce)液(ye)(ye)滴(di)的(de)最(zui)大(da)(da)鋪展(zhan)(zhan)直徑(jing)和(he)(he)(he)最(zui)大(da)(da)鋪展(zhan)(zhan)面(mian)(mian)積。

液滴(di)撞(zhuang)擊(ji)(ji)固體(ti)(ti)(ti)表(biao)(biao)(biao)面的現象在(zai)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)工(gong)業(ye)中較為(wei)常見，如橫管降(jiang)膜蒸發(fa)、噴淋吸收和渦(wo)輪機的冷卻等(deng)。在(zai)以傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)為(wei)主要目的的過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中，液滴(di)撞(zhuang)擊(ji)(ji)固體(ti)(ti)(ti)表(biao)(biao)(biao)面過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中的表(biao)(biao)(biao)面積變化對(dui)(dui)傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)性能有很大的影(ying)響。對(dui)(dui)高速分散(san)反(fan)應(ying)器的氣(qi)體(ti)(ti)(ti)吸收性能進(jin)行的研(yan)究中，建立了(le)用(yong)于預(yu)測反(fan)應(ying)器傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)特性的傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)表(biao)(biao)(biao)面積模(mo)型；在(zai)該模(mo)型中，液滴(di)與(yu)反(fan)應(ying)器固體(ti)(ti)(ti)表(biao)(biao)(biao)面的碰撞(zhuang)是一個增大傳(chuan)(chuan)質(zhi)(zhi)(zhi)面積的重(zhong)要過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)。研(yan)究物性和操作條件對(dui)(dui)液滴(di)撞(zhuang)擊(ji)(ji)固體(ti)(ti)(ti)表(biao)(biao)(biao)面過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中表(biao)(biao)(biao)面積變化的影(ying)響，進(jin)而(er)深入(ru)理解此過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)，可為(wei)此類設(she)(she)備的設(she)(she)計(ji)提供指(zhi)導。

關于(yu)液(ye)(ye)滴(di)撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)(ji)(ji)固(gu)(gu)體表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)過程(cheng)研(yan)究的(de)(de)(de)(de)(de)方法主(zhu)要(yao)有實驗、理(li)論分析(xi)和(he)數值模擬。通(tong)過定量實驗研(yan)究了液(ye)(ye)滴(di)撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)(ji)(ji)靜止的(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)(gu)體表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)時(shi)鋪展直(zhi)徑(jing)隨時(shi)間(jian)變(bian)化的(de)(de)(de)(de)(de)影響因素(su)，如液(ye)(ye)滴(di)的(de)(de)(de)(de)(de)撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)(ji)(ji)速(su)度(du)、液(ye)(ye)體的(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)變(bian)性質(zhi)和(he)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力、固(gu)(gu)體表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)粗糙度(du)等，發現撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)(ji)(ji)速(su)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加、黏度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)小、表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力的(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)小、表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)小均會增(zeng)大(da)(da)最大(da)(da)鋪展直(zhi)徑(jing)，并(bing)提出(chu)了一(yi)系列最大(da)(da)鋪展直(zhi)徑(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)經(jing)驗關聯式。而當固(gu)(gu)體表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)處于(yu)運動狀(zhuang)態(tai)時(shi)，在(zai)液(ye)(ye)滴(di)撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)(ji)(ji)過程(cheng)中(zhong)則通(tong)常(chang)可以(yi)觀察(cha)到不對稱的(de)(de)(de)(de)(de)鋪展甚至(zhi)飛濺(jian)。通(tong)過實驗研(yan)究可以(yi)得(de)到液(ye)(ye)滴(di)撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)(ji)(ji)后的(de)(de)(de)(de)(de)不同(tong)形態(tai)、液(ye)(ye)滴(di)物性和(he)撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)(ji)(ji)速(su)度(du)對鋪展直(zhi)徑(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)影響，以(yi)及可預(yu)測(ce)液(ye)(ye)滴(di)最大(da)(da)鋪展直(zhi)徑(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)經(jing)驗關聯式，有助于(yu)加深(shen)對液(ye)(ye)滴(di)撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)(ji)(ji)(ji)過程(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)理(li)解。

針對(dui)(dui)液(ye)滴(di)(di)撞(zhuang)(zhuang)(zhuang)擊(ji)固體表(biao)(biao)(biao)面過程的(de)(de)(de)理(li)論分析以能(neng)量法最為常見，其主要原(yuan)理(li)是基(ji)于(yu)(yu)液(ye)滴(di)(di)撞(zhuang)(zhuang)(zhuang)擊(ji)過程中表(biao)(biao)(biao)面能(neng)、動能(neng)、黏性(xing)耗(hao)散三者的(de)(de)(de)總(zong)能(neng)量守(shou)恒(heng)。利用此(ci)方(fang)法可得(de)到液(ye)滴(di)(di)的(de)(de)(de)無(wu)量綱(gang)最大鋪展(zhan)直(zhi)徑(jing)(jing)關于(yu)(yu)液(ye)滴(di)(di)的(de)(de)(de)韋伯(bo)數、雷諾(nuo)數和靜態(tai)接觸角的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)達式，但因(yin)針對(dui)(dui)液(ye)滴(di)(di)內黏性(xing)耗(hao)散的(de)(de)(de)假設不(bu)同，所得(de)到的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)達式有所差異。數值模(mo)擬是研(yan)究液(ye)滴(di)(di)撞(zhuang)(zhuang)(zhuang)擊(ji)固體表(biao)(biao)(biao)面現象的(de)(de)(de)重要手(shou)段，通過數值模(mo)擬除了(le)可以得(de)到液(ye)滴(di)(di)鋪展(zhan)直(zhi)徑(jing)(jing)、鋪展(zhan)高度和鋪展(zhan)速(su)度等宏(hong)觀信(xin)息外(wai)，還能(neng)了(le)解液(ye)滴(di)(di)內部的(de)(de)(de)流(liu)場信(xin)息，有助于(yu)(yu)更為深(shen)入(ru)地理(li)解液(ye)滴(di)(di)撞(zhuang)(zhuang)(zhuang)擊(ji)過程中鋪展(zhan)的(de)(de)(de)機理(li)。

目前文獻中(zhong)關于各類因素對液(ye)滴(di)(di)鋪(pu)(pu)展(zhan)線(xian)速(su)度和鋪(pu)(pu)展(zhan)面(mian)(mian)(mian)積的(de)(de)(de)影響(xiang)，以及撞擊過(guo)程中(zhong)液(ye)滴(di)(di)的(de)(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)能(neng)(neng)、動能(neng)(neng)和黏(nian)性(xing)(xing)耗散(san)的(de)(de)(de)變化的(de)(de)(de)研(yan)究較少，因此本文采(cai)用(yong)實驗的(de)(de)(de)方法研(yan)究了液(ye)滴(di)(di)的(de)(de)(de)物性(xing)(xing)和操作條(tiao)件(jian)對其(qi)撞擊固(gu)體表面(mian)(mian)(mian)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)鋪(pu)(pu)展(zhan)直徑、鋪(pu)(pu)展(zhan)速(su)度和鋪(pu)(pu)展(zhan)面(mian)(mian)(mian)積的(de)(de)(de)影響(xiang)，并(bing)結合能(neng)(neng)量法對表面(mian)(mian)(mian)能(neng)(neng)、動能(neng)(neng)和黏(nian)性(xing)(xing)耗散(san)在(zai)撞擊過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)變化進行(xing)分(fen)析，以揭示液(ye)滴(di)(di)撞擊固(gu)體表面(mian)(mian)(mian)過(guo)程的(de)(de)(de)特點。

1實驗裝置和方法

實(shi)驗(yan)系(xi)統(tong)示(shi)意圖如圖1所示(shi)。通(tong)過(guo)(guo)注射泵驅(qu)動液(ye)體在注射器(qi)的(de)(de)針尖處產生液(ye)滴(di)，液(ye)滴(di)直徑和速度(du)可分別(bie)通(tong)過(guo)(guo)針頭內徑和針頭高(gao)(gao)度(du)進(jin)行(xing)控制和調(diao)(diao)節。電(dian)腦與(yu)高(gao)(gao)速相機(ji)連接，并(bing)控制其以486幀(zhen)/s的(de)(de)頻(pin)率(lv)記錄液(ye)滴(di)撞擊不銹鋼板表面的(de)(de)過(guo)(guo)程(分辨率(lv)320pixel×256pixel)，實(shi)驗(yan)中圖像的(de)(de)物理分辨率(lv)為0.024mm/pixel。傳送帶的(de)(de)平(ping)動速度(du)通(tong)過(guo)(guo)調(diao)(diao)節變頻(pin)器(qi)改(gai)變電(dian)機(ji)的(de)(de)轉速實(shi)現。

1—電(dian)腦；2—電(dian)機；3—變頻器(qi)；4—傳送帶；5—光源(yuan)；6—散光板(ban)；7—注射器(qi)；8—不銹鋼板(ban)；9—高速相機；10—注射泵。

圖1實驗系(xi)統示意圖

表1物質(zhi)的物性(xing)參數

表2操作條件參數(shu)

圖2是一個(ge)質量分數20%的甘(gan)油水(shui)溶液液滴(di)(di)撞擊(ji)靜(jing)止固體表(biao)面(mian)(mian)(mian)的典型過程(cheng)。液滴(di)(di)(D0=2.85mm)以0.97m/s的速度撞擊(ji)在不銹鋼表(biao)面(mian)(mian)(mian)上(t=0ms)，經過鋪(pu)展(zhan)達到(dao)最大鋪(pu)展(zhan)面(mian)(mian)(mian)積(t=2.06ms)，隨(sui)后經歷回縮(suo)、再鋪(pu)展(zhan)以及震蕩的過程(cheng)(t=4.12~18.54ms)，直(zhi)至(zhi)達到(dao)平衡。

圖2甘油(you)質量分數(shu)20%的(de)液滴撞擊(ji)靜止的(de)不銹鋼(gang)表(biao)面(UD=0.97m/s)

液滴的(de)(de)宏觀信息如體積、鋪(pu)展(zhan)(zhan)直徑、鋪(pu)展(zhan)(zhan)速(su)度(du)等(deng)可(ke)以(yi)通過圖像識(shi)別獲取。本(ben)文使用Matlab對(dui)高速(su)相機記錄的(de)(de)液滴照片進行去噪、去除雜點、中(zhong)(zhong)(zhong)值濾(lv)波、二值化(hua)等(deng)步驟(zou)的(de)(de)處理，再從所(suo)得(de)到的(de)(de)二值化(hua)圖片中(zhong)(zhong)(zhong)獲取上述參數(shu)。其中(zhong)(zhong)(zhong)，液滴的(de)(de)鋪(pu)展(zhan)(zhan)速(su)度(du)可(ke)由(you)液滴鋪(pu)展(zhan)(zhan)線在相鄰兩張照片的(de)(de)坐(zuo)標差與拍攝頻率相乘得(de)到。由(you)于(yu)液滴在撞擊過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)形態始終保持軸(zhou)對(dui)稱，可(ke)以(yi)使用旋轉積分的(de)(de)方法(fa)求得(de)液滴的(de)(de)體積。

圖3不同物性和直(zhi)徑的液滴在撞擊過程中(zhong)的體積

圖(tu)3所示為(wei)(wei)使用圖(tu)像處理(li)的(de)(de)(de)方(fang)法得(de)(de)到的(de)(de)(de)4個(ge)不同物性(xing)和直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)的(de)(de)(de)液(ye)滴(di)(di)在(zai)撞擊過(guo)程中體積隨時間的(de)(de)(de)變化。從(cong)圖(tu)中可以(yi)看到，直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)為(wei)(wei)2.65mm的(de)(de)(de)水液(ye)滴(di)(di)、直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)為(wei)(wei)3.22mm的(de)(de)(de)水液(ye)滴(di)(di)、直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)為(wei)(wei)2.85mm的(de)(de)(de)純甘油液(ye)滴(di)(di)、直(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)為(wei)(wei)2.31mm的(de)(de)(de)乙醇液(ye)滴(di)(di)計算所得(de)(de)體積與初始體積的(de)(de)(de)最大誤差分(fen)別為(wei)(wei)7.7%、14%、2.2%、12%，說明本(ben)文采(cai)用的(de)(de)(de)圖(tu)像處理(li)和分(fen)析方(fang)法可對液(ye)滴(di)(di)撞擊固體表面的(de)(de)(de)過(guo)程進行較為(wei)(wei)準確的(de)(de)(de)定量分(fen)析。