盐水液滴撞击固体壁面接触特性实验研究 郭亚丽.docVIP

中国工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号：143529 盐水液滴撞击固体壁面接触特性实验研究 郭亚丽，陈桂影，沈胜强*，张京涛 （大连理工大学能源与动力学院,辽宁省海水淡化重点实验室，辽宁 大连116024） （*Tel：0411Email:zzbshen@dlut.edu.cn) 摘要：采用高速摄像仪对不同浓度盐水液滴撞击水平固体表面的现象进行了观测并记录，总结了接触角、铺展系数和无量纲高度的变化规律，并对其影响参数进行了分析。结果表明：在液滴铺展阶段，盐水液滴的动态接触角大于纯水液滴的，在回缩阶段，其动态接触角反而小于纯水液滴的；液滴铺展系数随盐浓度的增加而减小；液滴直径增大，其最大铺展系数增大，铺展系数变化的震荡频率减弱；对于较大直径液滴，在铺展阶段，盐浓度对液滴动态铺展特性影响较小；随液滴撞击速度增加，液滴的铺展系数增大，而回缩到最小铺展直径所用时间缩短，液滴震荡越易受到抑制；相对于速度而言，液滴直径大小更能影响液滴的震荡频率。 关键词：盐水；液滴；撞击；铺展系数；接触角 1 引言 液滴撞击固体壁面是工农业生产过程中常见的现象，比如内燃机油料喷洒、横管降膜蒸发海水淡化过程中的海水喷淋等。在此过程中，液滴特性（液滴种类、粘度、大小等）、撞击特性（撞击速度等）及接触特性（表面润湿性、表面张力等）的变化都会不同程度影响液滴撞击固体壁面后的动态特性，继而进一步影响换热等过程效果。液滴在润湿性较好的表面运动时，铺展形成液膜较薄，液滴与壁面换热效果较好，能有效提高生产及运行效率。接触角和铺展系数是表征润湿特性的重要参数，接触角是指在固、液、气三相交界处，自固-液界面经过液体内部到气-液界面之间的夹角。 可查的最早记录液滴撞击过程的研究在1876年，Worthington定性研究了液滴撞击金属壁面的过程[1]， 之后通过水银和牛奶以不同速度撞击壁面的实验，描述了在不同液滴物性和撞击特性的液滴撞击熏烤的金属盘和未熏烤的金属盘后的动态特性[2]。Mao[3]在室温下，利用高速摄像仪考察了撞击参数对最大铺展直径和反弹的影响，得出最大铺展直径与Re数、We数以及静态接触角之间关系，而且液滴黏性和静态接触角对液滴撞击后反弹机制影响较大。Zhang[4]等研究了含有表面活性剂的液滴撞击固体壁面动态特性，研究了表面活性剂浓度对液滴铺展及反弹的影响，得出结论：表面活性剂浓度增加，表面张力减小，继而液滴更易铺展。M. PasandidehFard[5]等通过对不同浓度添加剂溶液液滴撞击固体壁面研究，分析了液滴表面张力和接触角对液滴铺展动态特性的影响，结果反映出在液滴撞击铺展阶段，惯性是主导因素；相反，在液滴回缩阶段，表面张力占主导作用。同时得出结论，当We≤Re1/2时，可忽略毛细效应。Janusz T. Cie?liński等［］［］［］［］[10]通过水滴垂直撞击高温平壁现象的研究，指出反弹和附壁两种形态的临界条件可由韦伯数进行判别。Ping-ping Chen等［］S Sikalo[12]等研究了甘油和水滴撞击到倾斜和水平表面上的动态接触角以及铺展系数随时间的变化情况，探讨了壁面静态接触角对液滴铺展时动态接触角的影响。Rang和Feuillebois[13]研究了液滴黏性对液滴撞击壁面动态特性的影响。权生林［］M. I. Smith等［］荧光示踪粒子Koji Fumoto等［］NaCl溶液液滴撞击固体壁面的接触特性，包括动态接触角和铺展因子，分析盐溶液浓度、液滴直径及撞击速度对盐溶液液滴动态特性影响。 2 实验装置及方法 实验观测系统如图1所示。设备主要包括控制液滴滴落接触角测量仪和与其相连的计算机1、液滴撞击的不锈钢壁面、采集图像的Phantom V12.1高速摄像仪、氙灯和灯光扩散器，对结果进行记录存储的计算机2等。 图1 实验装置示意图 实验应用德国KRUSS光学接触角测量仪DSA(drop shape analysis)控制液滴滴落过程，所用针头内径分别为0.508mm和1.82mm，当液滴重力超过表面张力时，液滴脱离针头滴落。可通过调整针头与撞击平面间距离改变撞击速度。不锈钢板粗糙度 Ra 不大于0.2μm。为得到较清晰的液滴撞击后的形态演变照片，拍摄速度选定为9000帧/s，图像分辨率为1024×512。光源为350W的XD-300氙灯，灯光扩散器的作用是使灯光能在固体壁面上