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液滴撞击壁面过程：实验与数值模拟的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

液滴撞击壁面是一种在自然界、工业生产以及日常生活中广泛存在的物理现象，其涉及到复杂的多物理场耦合过程，一直是多学科交叉研究的热点领域。从清晨荷叶上滑落的露珠，到雨天窗户上雨滴的滑落，从内燃机中燃油的喷射雾化，到农业领域的农药喷洒，液滴撞击壁面的现象无处不在。这种现象背后蕴含的复杂物理机制，吸引了众多科研人员的关注。

在工业生产中，液滴撞击壁面现象有着诸多关键应用，对生产效率和产品质量有着重要影响。以喷雾冷却技术为例，在电子设备散热、金属材料热处理等过程中，冷却液被雾化成微小液滴撞击发热壁面，通过液滴的蒸发带走大量热量，从而实现高效散热。在电子芯片散热领域，随着芯片集成度不断提高，散热问题愈发严峻。喷雾冷却技术能够有效解决高功率芯片的散热难题，确保芯片在适宜温度下稳定运行。而液滴撞击壁面的行为，如液滴的铺展、反弹、破碎等，直接影响着冷却效果。若液滴能够在壁面充分铺展并快速蒸发，就能实现更高效的散热；反之，若液滴发生过度反弹或破碎不均，散热效率则会大打折扣。在燃油喷射系统中，燃油以液滴形式撞击发动机燃烧室壁面，液滴的撞击特性直接关系到燃油与空气的混合质量，进而影响燃烧效率和污染物排放。合理的液滴撞击行为能够促进燃油与空气充分混合，实现更完全的燃烧，降低油耗和污染物排放，提升发动机性能。

在日常生活中，液滴撞击壁面的现象也屡见不鲜，与人们的生活息息相关。下雨时，雨滴撞击地面、建筑物表面等，其撞击行为影响着雨水的分布和排水效果。若雨滴撞击地面后形成较大的飞溅，可能会导致地面湿滑，增加行人滑倒的风险；而在建筑物表面，不合理的雨滴撞击可能会对建筑外墙造成侵蚀，影响建筑的美观和耐久性。在喷墨打印技术中，墨水液滴撞击打印介质表面，其撞击的准确性和均匀性决定了打印图像的质量。只有当墨水液滴精确地撞击到指定位置，并在介质表面均匀铺展，才能形成清晰、细腻的图像。在农业灌溉中，水滴撞击农作物叶片和土壤表面，其撞击行为影响着水分的吸收和利用效率。合适的水滴撞击能够使水分更好地渗透到土壤中，被农作物根系吸收，提高灌溉效率，节约水资源。

尽管液滴撞击壁面现象广泛存在且重要，但由于其涉及到复杂的多物理场耦合过程，如流体力学、传热传质、表面张力等，目前人们对其内在机理的认识仍存在诸多不足。在不同的工况和条件下，液滴撞击壁面后的行为表现出极大的差异，受到液滴自身性质（如表面张力、黏度、密度等）、壁面特性（如表面粗糙度、润湿性、温度等）以及撞击条件（如撞击速度、角度等）等多种因素的综合影响。深入研究液滴撞击壁面的过程，揭示其内在物理机制，对于完善多相流理论具有重要的学术意义，能够为相关领域的理论发展提供坚实的基础。对液滴撞击壁面过程的深入理解，也能为解决工业生产和日常生活中的实际问题提供有力的理论支持和技术指导，推动相关领域的技术创新和发展，具有重要的工程应用价值。

1.2国内外研究现状

在液滴撞击壁面的研究领域，国内外学者从实验研究和数值模拟两个主要方向展开了深入探索，取得了一系列具有重要价值的成果，同时也暴露出一些不足，为后续研究指明了方向。

在实验研究方面，诸多学者聚焦于液滴撞击壁面过程中的形态变化和关键参数测量。通过高速摄像技术，研究者们能够清晰捕捉液滴撞击壁面瞬间的动态过程，对液滴的铺展、反弹、破碎等行为进行细致观察。有研究对不同表面润湿性壁面上液滴的铺展半径和铺展速度进行了测量，发现超疏水壁面上液滴铺展半径较小，铺展速度快且反弹迅速，而亲水壁面上液滴铺展半径较大，易粘附且反弹不明显。这一结果表明壁面润湿性对液滴撞击行为有着显著影响，为后续研究提供了重要的实验依据。还有研究通过实验观察了液滴撞击角度对其行为的影响，发现随着撞击角度减小，液滴在壁面上的铺展面积增大，而反弹高度降低，揭示了撞击角度与液滴行为之间的内在联系。在实验装置和测量技术的发展上，近年来也取得了显著进展。一些先进的测量技术，如粒子图像测速技术（PIV），能够精确测量液滴内部及周围流场的速度分布，为深入研究液滴撞击过程中的流体力学特性提供了有力支持。一些新型实验装置能够精确控制液滴的生成、撞击速度和角度，以及壁面的温度、粗糙度等参数，极大地提高了实验的准确性和可重复性。例如，一种旋转射流式液滴发生与碰撞实验装置，能够在旋转模式下促使射流在短时间内破碎生成大量液滴，液滴覆盖区域广，成膜过程迅速，液膜厚度易于测量，且可通过调节多种参数，观测多种工况下液滴形成与撞壁的过程，为液滴撞壁研究提供了更丰富的实验数据。

在数值模拟领域，研究者们主要采用计算流体力学（CFD）方法对液滴撞击壁面过程进行模拟研究。其中，VOF（VolumeofFluid）模型因其能够准确捕捉气液界面的运动而被广泛应用。通过VOF模型