摘要：對液滴撞擊固體表面的過程進行實驗研究，考察液滴的物性和操作條件對撞擊過程的影響，結果表明：隨著液滴黏度的增加、或表面張力系數的增大、或撞擊速度的減小，液滴的鋪展直徑、鋪展速度和鋪展面積均減小；液滴的能量在黏性中的耗散主要發生在撞擊的初始階段，隨著液滴黏度的增加、或表面張力系數的減小、或撞擊速度的增大，黏性耗散的速率均增加。本文得到的關于液滴雷諾數和韋伯數的關聯式可用于預測液滴的最大鋪展直徑和最大鋪展面積。

液滴撞擊固體表面的現象在過程工業中較為常見，如橫管降膜蒸發、噴淋吸收和渦輪機的冷卻等。在以傳質為主要目的的過程中，液滴撞擊固體表面過程中的表面積變化對傳質性能有很大的影響。對高速分散反應器的氣體吸收性能進行的研究中，建立了用于預測反應器傳質特性的傳質表面積模型；在該模型中，液滴與反應器固體表面的碰撞是一個增大傳質面積的重要過程。研究物性和操作條件對液滴撞擊固體表面過程中表面積變化的影響，進而深入理解此過程，可為此類設備的設計提供指導。

關于液滴撞擊固體表面過程研究的方法主要有實驗、理論分析和數值模擬。通過定量實驗研究了液滴撞擊靜止的固體表面時鋪展直徑隨時間變化的影響因素，如液滴的撞擊速度、液體的流變性質和表面張力、固體表面的粗糙度等，發現撞擊速度的增加、黏度的減小、表面張力的減小、表面粗糙度的減小均會增大最大鋪展直徑，并提出了一系列最大鋪展直徑的經驗關聯式。而當固體表面處于運動狀態時，在液滴撞擊過程中則通常可以觀察到不對稱的鋪展甚至飛濺。通過實驗研究可以得到液滴撞擊后的不同形態、液滴物性和撞擊速度對鋪展直徑的影響，以及可預測液滴最大鋪展直徑的經驗關聯式，有助于加深對液滴撞擊過程的理解。

針對液滴撞擊固體表面過程的理論分析以能量法最為常見，其主要原理是基于液滴撞擊過程中表面能、動能、黏性耗散三者的總能量守恒。利用此方法可得到液滴的無量綱最大鋪展直徑關于液滴的韋伯數、雷諾數和靜態接觸角的表達式，但因針對液滴內黏性耗散的假設不同，所得到的表達式有所差異。數值模擬是研究液滴撞擊固體表面現象的重要手段，通過數值模擬除了可以得到液滴鋪展直徑、鋪展高度和鋪展速度等宏觀信息外，還能了解液滴內部的流場信息，有助于更為深入地理解液滴撞擊過程中鋪展的機理。

目前文獻中關于各類因素對液滴鋪展線速度和鋪展面積的影響，以及撞擊過程中液滴的表面能、動能和黏性耗散的變化的研究較少，因此本文采用實驗的方法研究了液滴的物性和操作條件對其撞擊固體表面過程中的鋪展直徑、鋪展速度和鋪展面積的影響，并結合能量法對表面能、動能和黏性耗散在撞擊過程中的變化進行分析，以揭示液滴撞擊固體表面過程的特點。

1實驗裝置和方法

實驗系統示意圖如圖1所示。通過注射泵驅動液體在注射器的針尖處產生液滴，液滴直徑和速度可分別通過針頭內徑和針頭高度進行控制和調節。電腦與高速相機連接，并控制其以486幀/s的頻率記錄液滴撞擊不銹鋼板表面的過程(分辨率320pixel×256pixel)，實驗中圖像的物理分辨率為0.024mm/pixel。傳送帶的平動速度通過調節變頻器改變電機的轉速實現。

1—電腦；2—電機；3—變頻器；4—傳送帶；5—光源；6—散光板；7—注射器；8—不銹鋼板；9—高速相機；10—注射泵。

圖1實驗系統示意圖

表1物質的物性參數

表2操作條件參數

圖2是一個質量分數20%的甘油水溶液液滴撞擊靜止固體表面的典型過程。液滴(D0=2.85mm)以0.97m/s的速度撞擊在不銹鋼表面上(t=0ms)，經過鋪展達到最大鋪展面積(t=2.06ms)，隨后經歷回縮、再鋪展以及震蕩的過程(t=4.12~18.54ms)，直至達到平衡。

圖2甘油質量分數20%的液滴撞擊靜止的不銹鋼表面(UD=0.97m/s)

液滴的宏觀信息如體積、鋪展直徑、鋪展速度等可以通過圖像識別獲取。本文使用Matlab對高速相機記錄的液滴照片進行去噪、去除雜點、中值濾波、二值化等步驟的處理，再從所得到的二值化圖片中獲取上述參數。其中，液滴的鋪展速度可由液滴鋪展線在相鄰兩張照片的坐標差與拍攝頻率相乘得到。由于液滴在撞擊過程中的形態始終保持軸對稱，可以使用旋轉積分的方法求得液滴的體積。

圖3不同物性和直徑的液滴在撞擊過程中的體積

圖3所示為使用圖像處理的方法得到的4個不同物性和直徑的液滴在撞擊過程中體積隨時間的變化。從圖中可以看到，直徑為2.65mm的水液滴、直徑為3.22mm的水液滴、直徑為2.85mm的純甘油液滴、直徑為2.31mm的乙醇液滴計算所得體積與初始體積的最大誤差分別為7.7%、14%、2.2%、12%，說明本文采用的圖像處理和分析方法可對液滴撞擊固體表面的過程進行較為準確的定量分析。