單液滴撞擊不同黏度液膜特性研究

裴毅強(qiáng)，朱慶洋，彭志軍，秦?靜, 2，盧莉莉，彭振山，劉?懿

?

單液滴撞擊不同黏度液膜特性研究

裴毅強(qiáng)1，朱慶洋1，彭志軍1，秦?靜1, 2，盧莉莉1，彭振山1，劉?懿1

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072)

為了更好地理解單液滴撞擊不同物性流體濕壁面現(xiàn)象，采用激光誘導(dǎo)熒光(laser induced fluorescence，LIF)方法研究了不同入射液滴韋伯?dāng)?shù)、無量綱液膜厚度及液膜黏度對撞壁現(xiàn)象的影響規(guī)律．研究表明，液滴撞擊后液膜可分為穩(wěn)定冠狀、飛濺冠狀和劇烈飛濺冠狀3種形態(tài)，入射液滴韋伯?dāng)?shù)越大，液膜形態(tài)變化越劇烈．相同液膜黏度和無量綱液膜厚度下，無量綱冠頂高度隨入射液滴韋伯?dāng)?shù)的增大而升高，且韋伯?dāng)?shù)越大，到達(dá)冠狀頂點(diǎn)所需時(shí)間越長，冠狀維持時(shí)間越久．保持入射液滴韋伯?dāng)?shù)和無量綱液膜厚度不變，隨液膜黏度升高，無量綱冠頂高度降低，且到達(dá)冠狀頂點(diǎn)的時(shí)間提前，冠狀維持時(shí)間縮短；保持入射液滴韋伯?dāng)?shù)和液膜黏度不變，隨無量綱液膜厚度增加，無量綱冠頂高度先升高后降低，但冠狀達(dá)到頂點(diǎn)的時(shí)間以及冠狀維持時(shí)間均持續(xù)增加．相同無量綱液膜厚度和液膜黏度下，無量綱冠頂直徑隨入射液滴韋伯?dāng)?shù)的增大而增大．保持入射液滴韋伯?dāng)?shù)和無量綱液膜厚度不變，無量綱冠頂直徑隨液膜黏度升高而降低；保持入射液滴韋伯?dāng)?shù)和液膜黏度不變，無量綱冠頂直徑隨無量綱液膜厚度的增大而降低．根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了冠狀形態(tài)的臨界韋伯?dāng)?shù)與無量綱液膜厚度的關(guān)系式，以及無量綱冠頂高度和冠頂直徑與入射液滴韋伯?dāng)?shù)的關(guān)系式．

單液滴撞壁；液膜冠狀形態(tài)；臨界韋伯?dāng)?shù)；無量綱冠狀參數(shù)

液滴撞壁現(xiàn)象廣泛存在于自然界、農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域中，例如雨滴下落、農(nóng)藥噴灑[1]以及內(nèi)燃機(jī)中噴霧撞擊燃燒室壁面[2]等．研究液滴撞壁現(xiàn)象、探索不同撞擊結(jié)果躍遷的臨界邊界條件、給出全面準(zhǔn)確的物理描述和科學(xué)解釋，對于認(rèn)識液滴撞壁過程的多相流體動力學(xué)機(jī)理具有重要價(jià)值．

根據(jù)是否存在附壁液膜可將液滴撞壁分為撞擊干壁面和濕壁面兩種．學(xué)者對單液滴撞擊干壁面和濕壁面做了大量試驗(yàn)研究．Rioboo等[3-4]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將單液滴撞擊固體壁面后的現(xiàn)象分為6種，即沉積、即時(shí)飛濺、冠狀飛濺、破碎、反彈和部分反彈，研究了不同物性液滴撞擊不同粗糙度干壁面后的發(fā)展動態(tài)，分析了各工況的鋪展因子．Julián等[5]根據(jù)不同液體單液滴撞擊干壁面的試驗(yàn)結(jié)果擬合出了液滴飛濺的臨界韋伯?dāng)?shù)公式．Tang等[6]分析了不同液體液滴撞擊不同粗糙度干壁面后的現(xiàn)象，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了最大鋪展因子公式以及液滴撞壁后發(fā)生擴(kuò)散與飛濺的判別公式．Cossali等[7]研究水滴撞擊薄水膜現(xiàn)象，定性分析了入射液滴韋伯?dāng)?shù)和液膜厚度對冠狀參數(shù)及飛濺液滴尺寸的影響．結(jié)果表明韋伯?dāng)?shù)對于冠頂高度、直徑和飛濺液滴尺寸的影響大于液膜厚度，而液膜冠狀厚度僅隨時(shí)間變化，與韋伯?dāng)?shù)和液膜厚度無關(guān)．Tomio等[8]通過水滴撞擊不同厚度水膜的試驗(yàn)結(jié)果得到了判別不同撞擊現(xiàn)象的臨界無量綱數(shù)的對應(yīng)數(shù)值．Vander Wal等[9]進(jìn)行了不同液體液滴撞擊干壁面及同種液體不同厚度液膜的試驗(yàn)，定性分析了撞擊速度、液膜的黏度、表面張力和厚度對撞擊形態(tài)的影響，結(jié)果表明，液膜黏度、表面張力及厚度值越低，其變形越劇烈，產(chǎn)生的飛濺液滴越多，且黏度的影響最為明顯．Motzkus等[10]研究了不同液滴撞擊液膜現(xiàn)象，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出了撞擊是否發(fā)生飛濺的臨界韋伯?dāng)?shù)，并對前人的臨界韋伯?dāng)?shù)公式進(jìn)行了修正．Burzynski等[11]進(jìn)行了高速水滴撞擊流動水膜的試驗(yàn)研究，定性分析了冠狀參數(shù)隨韋伯?dāng)?shù)和時(shí)間的變化規(guī)律以及水膜流動速度對冠狀破碎的影響．結(jié)果表明冠頂直徑和高度隨韋伯?dāng)?shù)的增大和時(shí)間的增長而增大，而流動速度提高可以降低冠狀的破碎速度.

前人對于液滴撞壁的研究多集中在液滴撞擊干壁面或者撞擊附有同種液體液膜的濕壁面，而對于屬于不同種液體的單液滴與液膜相撞的研究數(shù)據(jù)非常有限．另外，前人的研究多是定性描述液膜物性參數(shù)對于撞擊形態(tài)的影響，并未定量分析冠狀參數(shù)與液膜物性的關(guān)系，且在分析某一物性參數(shù)影響時(shí)并未保證其他物性參數(shù)相近．本文的目的是明確單液滴撞擊不同物性流體濕壁面現(xiàn)象，根據(jù)不同工況下的單液滴撞擊液膜試驗(yàn)觀察到的液滴與液膜狀態(tài)進(jìn)行基礎(chǔ)分析，探究不同入射液滴韋伯?dāng)?shù)、無量綱液膜厚度及液膜黏度對撞擊現(xiàn)象的影響．

1?試驗(yàn)裝置與方法

研究單液滴撞擊附有不同物性流體液膜濕壁面的試驗(yàn)裝置如圖1所示．在本研究中，應(yīng)用激光誘導(dǎo)熒光(LIF)來定性區(qū)分入射液滴與液膜，確定撞壁后液膜的發(fā)展動態(tài)．使用激光器產(chǎn)生532nm波長激光，激光器前端裝有鮑威爾棱鏡與N2852-12光纖，可以產(chǎn)生15mm厚度的扇形面激光，平鋪于液膜正上方，液膜平鋪在鋁板上．使用高速攝像機(jī)(Photron，7000f/s，1024×1024像素)記錄整個(gè)撞壁過程，相機(jī)前端裝有長通濾波片，可以濾掉550nm以下波長的光，排除激光干擾，以獲得更為清晰的圖像．

本次試驗(yàn)采用異辛烷液體產(chǎn)生單液滴，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)(WT)為30%、60%和80%的丙三醇(甘油)水溶液作為低、中、高不同黏度的液膜．表1為試驗(yàn)所用不同配比液膜常溫常壓(25℃，0.1MPa)下的物性參數(shù)，由表1可以得知，不同配比液膜的密度與表面張力較為接近，故本研究忽略不同配比液膜密度與表面張力的差異，僅分析液膜黏度對于撞擊現(xiàn)象的影響．羅丹明B作為熒光劑，溶解于液膜中，其添加質(zhì)量百分比小于0.1%．進(jìn)行了添加與未添加熒光劑的對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微量熒光劑添加對液膜物理性質(zhì)并沒有明顯影響，可以忽略不計(jì)．

表2為試驗(yàn)工況．使用注射泵產(chǎn)生粒徑大小均勻的液滴．通過調(diào)節(jié)升降平臺，改變液滴自由落體高度，達(dá)到控制入射液滴速度的目的．利用等底面積、不同深度凹槽的方形鋁板控制液膜體積，以改變液膜厚度．定義無量綱液膜厚度h為液膜厚度與入射液滴直徑的比值．所有試驗(yàn)工況均采用20°俯拍與平拍兩種拍攝方式，分別用于液膜冠狀飛濺狀態(tài)定性分析和冠狀參數(shù)定量研究．為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次拍攝后更換液膜，每個(gè)工況至少拍攝3次．

圖1?試驗(yàn)裝置

表1 液膜的物性參數(shù)(25℃，0.1MPa)

Tab.1 Physical properties of the liquid film(25℃，0.1MPa)

表2?試驗(yàn)工況

Tab.2?Experimental conditions

2?結(jié)果與討論

2.1?液滴撞壁后液膜形態(tài)

基于各個(gè)試驗(yàn)工況圖像，宏觀分析液滴撞壁后液膜的發(fā)展形態(tài)，根據(jù)液滴撞擊液膜產(chǎn)生的冠狀結(jié)構(gòu)與飛濺狀態(tài)可以將液膜形態(tài)分為3種典型類別：穩(wěn)定冠狀、飛濺冠狀和劇烈飛濺冠狀．圖2所示為每種形態(tài)的典型代表圖像，選取液膜發(fā)展不同時(shí)刻的圖像，更清晰地描述每種液膜形態(tài)的具體特征．圖中為時(shí)間，定義液滴開始撞擊液膜的時(shí)刻為＝0ms．

第1種為穩(wěn)定冠狀形態(tài)．圖2(a)給出了入射速度3.1m/s、80%(WT)液膜、無量綱液膜厚度h為0.7工況下，液滴撞擊后的液膜動態(tài)．當(dāng)運(yùn)動液滴撞擊靜止液膜時(shí)，在撞擊點(diǎn)處，液滴內(nèi)部液體運(yùn)動方向瞬間由垂直方向改為水平方向，快速的運(yùn)動方向變化引起動力間斷[12]現(xiàn)象，從而使液膜自身形成冠狀結(jié)構(gòu)．隨著時(shí)間增長，冠狀增長至頂點(diǎn)，然后逐漸退化直至消失．這種穩(wěn)定冠狀多是在高液膜黏度、低入射速度工況下觀察到的．

第2種是飛濺冠狀形態(tài)．圖2(b)給出了入射速度3.7m/s、60%(WT)液膜、無量綱液膜厚度h為0.5工況下，液滴撞擊后的液膜動態(tài)．液滴撞擊液膜時(shí)，首先形成與穩(wěn)定冠狀形態(tài)相似的冠狀．隨著冠狀的生長，其頂部變得不穩(wěn)定并形成凸起結(jié)構(gòu)．當(dāng)冠狀完全成形并上升至頂點(diǎn)后，凸起的邊緣破碎并形成液膜小液滴飛濺到空間中．隨后，冠狀結(jié)構(gòu)不斷下降，逐漸消失．相比于穩(wěn)定冠狀形態(tài)，飛濺冠狀形態(tài)一般在較高液滴入射速度、較低液膜黏度工況下出現(xiàn)．

第3種是劇烈飛濺冠狀形態(tài)．圖2(c)給出了入射速度4.0m/s、30%(WT)液膜、無量綱液膜厚度h為0.1工況下，液滴撞擊后的液膜動態(tài)．當(dāng)液滴撞擊液膜時(shí)，冠狀上升過程中其邊緣即開始產(chǎn)生射流狀飛濺及細(xì)小液滴，且隨冠狀結(jié)構(gòu)增長，射流長度增加．因液膜存在劇烈波動，冠狀下降過程中其結(jié)構(gòu)被破壞并消失．相比于飛濺冠狀形態(tài)，劇烈飛濺冠狀形態(tài)下，液膜多以射流形式從冠狀邊緣飛出，產(chǎn)生的小液滴數(shù)量更多，粒徑更小，飛濺速度更高．該形態(tài)一般出現(xiàn)在高入射速度、低液膜黏度工況．

分析每一種液膜形態(tài)的冠狀穩(wěn)定性時(shí)，發(fā)現(xiàn)液滴撞擊后，液膜形態(tài)與入射液滴的動能以及液膜自身的阻力密切相關(guān)．撞擊高黏度液膜時(shí)，液膜對外力具有較高的抵抗力，入射液滴的撞擊使其產(chǎn)生形變，但是由于高黏度的液膜存在較大的剪切應(yīng)力，可以維持冠狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而不發(fā)生破碎．液滴入射速度升高時(shí)，入射液滴的動能增加，撞擊時(shí)更多的能量被液膜吸收[13]，而液膜自身剪切力不足以維持冠狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因此液膜會產(chǎn)生更大的變形，形成的冠狀邊緣不再穩(wěn)定．在飛濺冠狀形態(tài)時(shí)，液膜從冠狀頂端掙脫，形成小液滴飛濺．當(dāng)更大的入射能量作用時(shí)，液膜冠狀表面的不穩(wěn)定性增加，形成劇烈飛濺冠狀．當(dāng)液膜的黏度降低時(shí)，其剪切力減小，相對較低的液滴入射速度即可產(chǎn)生飛濺或者劇烈飛濺冠狀．所以，保持入射速度與無量綱液膜厚度相同，降低液膜黏度與提升入射速度具有相似效果．

圖2?不同液膜冠狀形態(tài)對比

2.2?液滴撞壁對比試驗(yàn)

為明確液滴與液膜的互溶性對不同液體液滴與液膜撞擊現(xiàn)象的影響，進(jìn)行了異辛烷液滴撞擊硅油油膜(相溶)、無水乙醇液滴撞擊丙三醇水溶液液膜(相溶)及異辛烷液滴撞擊丙三醇水溶液液膜(不相溶)的對比試驗(yàn)．表3為對比試驗(yàn)所用液體的物性參數(shù)．

表3?對比試驗(yàn)液體的物性參數(shù)(25℃，0.1MPa)

Tab.3 Physical properties of the liquid used in the com-parison experiment(25℃，0.1MPa)

在之前液滴撞擊干濕壁面的研究中，大多結(jié)果顯示，入射液滴韋伯?dāng)?shù)對撞擊后液滴及液膜的形態(tài)影響顯著[14-15]．液滴韋伯?dāng)?shù)的定義為

(1)

式中：、、、分別為入射液滴密度、入射液滴速度、入射液滴直徑以及入射液滴表面張力．

對比試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)升降平臺改變各液滴入射速度，保證入射液滴韋伯?dāng)?shù)相同，所使用液膜黏度及無量綱液膜厚度保證相近或相同．圖3為異辛烷液滴撞擊硅油(50Cst)油膜與異辛烷液滴撞擊丙三醇水溶液(80%(WT))液膜對比試驗(yàn)結(jié)果．圖4為無水乙醇液滴和異辛烷液滴撞擊丙三醇水溶液(30%(WT))液膜對比試驗(yàn)結(jié)果．由圖可以得知，同組對比試驗(yàn)相同時(shí)刻的冠狀形態(tài)非常相似．對比圖4中的劇烈飛濺冠狀可以看出，液膜冠狀邊緣飛濺的液膜小液滴以及冠狀中心位置入射液滴的飛濺形式和狀態(tài)都極其相似，所以液滴與液膜是否相溶對于不同液體的液滴撞擊液膜現(xiàn)象的影響并不明顯．采用異辛烷液滴撞擊不相溶的丙三醇水溶液液膜，溶于丙三醇水溶液而不溶于異辛烷的羅丹明B作為熒光劑，可以避免液滴溶解熒光劑產(chǎn)生熒光，能夠證明飛濺液滴中含有液膜成分，并能夠區(qū)分飛濺小液滴中的液膜成分與液滴成分．應(yīng)用此方法，可以進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)中燃油撞擊機(jī)油油膜的基礎(chǔ)試驗(yàn)．采用與汽油和機(jī)油物性相似且互不溶解的替代物質(zhì)進(jìn)行撞壁試驗(yàn)，能夠避免汽油和機(jī)油復(fù)雜組成成分的影響，配合選用合適的熒光劑，能夠較好地區(qū)分飛濺液滴中的汽油與機(jī)油．

圖3?相同工況穩(wěn)定冠狀形態(tài)對比(We＝712，h*＝0.7)

圖4?相同工況劇烈飛濺冠狀形態(tài)對比(We＝1184，μ＝2.2mPa·s，h*＝0.1)

2.3?臨界韋伯?dāng)?shù)

圖5是液膜配比分別為30%(WT)、60%(WT)和80%(WT)時(shí)，各工況下的臨界韋伯?dāng)?shù)曲線．由圖可以看出，隨著韋伯?dāng)?shù)的增大，同一黏度下的液膜從穩(wěn)定冠狀形態(tài)逐漸向飛濺冠狀形態(tài)發(fā)展，最后發(fā)展為劇烈飛濺冠狀形態(tài)．這是因?yàn)榫哂写箜f伯?dāng)?shù)的液滴入射速度更高，慣性力與動能更大，撞擊時(shí)傳遞給液膜的能量更多，液膜變形更為迅速猛烈．對比不同無量綱液膜厚度發(fā)現(xiàn)，各個(gè)液膜厚度下，液膜冠狀形態(tài)的發(fā)展趨勢是一致的，但是在液膜較薄的情況下，更容易出現(xiàn)飛濺與劇烈飛濺現(xiàn)象．對比不同的液膜黏度發(fā)現(xiàn)，液膜的黏度越大，穩(wěn)定冠狀區(qū)域越大，飛濺和劇烈飛濺冠狀區(qū)域越小，臨界韋伯?dāng)?shù)越大．這是因?yàn)橐耗ゐざ仍酱?，其?nèi)部剪切力越大，維持冠狀形態(tài)穩(wěn)定的能力就越強(qiáng)．

前人的研究中，曾根據(jù)臨界韋伯?dāng)?shù)公式判斷單液滴撞擊干壁面及濕壁面時(shí)是否發(fā)生飛濺．Range等[16]提出了單液滴撞擊干壁面產(chǎn)生飛濺的臨界韋伯?dāng)?shù)經(jīng)驗(yàn)公式為

(2)

式中：0和a分別為液滴半徑和壁面粗糙度；系數(shù)、取決于液滴及壁面材料性質(zhì)．Julián等[17]根據(jù)不同液體單液滴撞擊干壁面的試驗(yàn)結(jié)果擬合出的液滴飛濺臨界韋伯?dāng)?shù)公式為

(3) (4)

式中為雷諾數(shù)．

Cossali等[18]曾經(jīng)研究液滴撞擊同種液體濕壁面現(xiàn)象，并提出飛濺臨界韋伯?dāng)?shù)計(jì)算公式為

(5)

(6)

式中：為拉普拉斯數(shù)；f為入射液滴黏度系數(shù)．Xu等[19]根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了不同溫度下單液滴撞擊油池的飛濺臨界韋伯?dāng)?shù)公式為

(7)

(8)

式中為無量綱溫度．

但是本研究屬于單液滴撞擊不同液體液膜濕壁面，故之前的臨界韋伯?dāng)?shù)經(jīng)驗(yàn)公式并不直接適用．結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)公式，并根據(jù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析及曲線擬合，給出了本試驗(yàn)中不同黏度液膜下，不同液膜冠狀形態(tài)間躍遷的臨界韋伯?dāng)?shù)與無量綱液膜厚度的關(guān)系式．定義crsts為穩(wěn)定冠狀形態(tài)到飛濺冠狀形態(tài)的臨界韋伯?dāng)?shù)；crstf為飛濺冠狀形態(tài)到劇烈飛濺冠狀形態(tài)的臨界韋伯?dāng)?shù)．在同一液膜黏度時(shí)，臨界韋伯?dāng)?shù)的公式為

(9)

將各液膜黏度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于式(9)，可得crsts與crstf公式中crsts、crsts和crstf、crstf的值．由圖5及、擬合值可知，系數(shù)、隨液膜黏度變化而變化，圖6和表4分別為系數(shù)、與液膜黏度的擬合曲線和具體關(guān)系式．應(yīng)用擬合公式及系數(shù)關(guān)系式，在給定的液膜黏度和無量綱液膜厚度下，可以預(yù)測臨界韋伯?dāng)?shù)．

圖6?臨界韋伯?dāng)?shù)公式系數(shù)擬合曲線

Fig.6 Fitting curves of the coefficient of the critical We-ber number formula

表4?臨界韋伯?dāng)?shù)公式系數(shù)與液膜黏度關(guān)系式

Tab.4 Relation between the coefficient of the critical We-ber number formula and liquid viscosity

2.4?冠狀參數(shù)分析

圖7?冠狀參數(shù)示意

無量綱冠狀高度及無量綱冠頂高度變化如圖8和圖9所示．由圖8和圖9可知，相同液膜黏度和無量綱液膜厚度下，無量綱冠頂高度隨韋伯?dāng)?shù)的增大而升高，且韋伯?dāng)?shù)越大，到達(dá)冠頂高度所需的時(shí)間越長，冠狀維持時(shí)間也越久．這是因?yàn)轫f伯?dāng)?shù)增大，入射液滴攜帶能量增大，撞擊時(shí)液膜吸收更多的能量，產(chǎn)生更高的冠狀，所以冠狀上升至頂點(diǎn)和下落至消失所需的時(shí)間也相應(yīng)增加．保持韋伯?dāng)?shù)和無量綱液膜厚度不變，隨液膜黏度升高，無量綱冠頂高度降低，且到達(dá)冠狀頂點(diǎn)的時(shí)間提前，冠狀維持時(shí)間縮短；保持韋伯?dāng)?shù)和液膜黏度不變，隨著無量綱液膜厚度的增大，無量綱冠頂高度先升高后降低，但冠狀達(dá)到頂點(diǎn)的時(shí)間以及冠狀維持時(shí)間均持續(xù)增加．液膜抵抗變形的能力隨黏度的增大而增強(qiáng)，故液膜黏度增大使整體冠頂高度下降，到達(dá)冠狀頂點(diǎn)需要的時(shí)間及冠狀形態(tài)維持時(shí)間均相應(yīng)縮短．當(dāng)液膜厚度較薄時(shí)，其吸收沖擊能量的能力較差，更多的能量轉(zhuǎn)化為冠狀徑向擴(kuò)張能量而非冠狀軸向生長能量，所以產(chǎn)生高度相對較低的冠狀．隨著液膜厚度增加，液膜吸收液滴能量的比例增加，軸向生長能量增加，冠頂高度相應(yīng)升高．當(dāng)液膜厚度增加到一定數(shù)值時(shí)，所形成冠狀的厚度和包含的液膜質(zhì)量隨之增加，受能量守恒限制，冠狀上升需要消耗更多能量以增加勢能，使得冠頂高度開始下降．因此，相同韋伯?dāng)?shù)和液膜黏度下，無量綱冠頂高度隨著無量綱液膜厚度的增大，先升高后降低．但轉(zhuǎn)化為冠狀軸向生長能量的比例是隨液膜厚度增加而持續(xù)增加的，故更多的能量用于冠狀的發(fā)展．盡管冠頂高度隨無量綱液膜厚度的變化不是單調(diào)的，但整個(gè)冠狀從開始形成至下落消失的維持時(shí)間隨能量增加而延長，到達(dá)冠狀頂點(diǎn)時(shí)間也更長．

圖8?無量綱冠狀高度H*的變化

無量綱冠頂直徑變化如圖10所示．由圖10可知，相同無量綱液膜厚度和液膜黏度下，無量綱冠頂直徑隨韋伯?dāng)?shù)的增大而增大．這是因?yàn)轫f伯?dāng)?shù)增大，入射液滴攜帶能量更高，撞擊時(shí)液膜吸收更多的能量，轉(zhuǎn)化為冠狀徑向擴(kuò)張的能量相應(yīng)增加，冠狀開口擴(kuò)大，直徑增大．保持韋伯?dāng)?shù)和無量綱液膜厚度不變，無量綱冠頂直徑隨液膜黏度升高而降低；保持韋伯?dāng)?shù)和液膜黏度不變，無量綱冠頂直徑隨著無量綱液膜厚度的增大而降低．這是因?yàn)橐耗さ挚棺冃蔚哪芰﹄S黏度的增大而增強(qiáng)，故液膜黏度增大抑制冠狀的擴(kuò)大，使冠頂直徑減?。S著液膜厚度的增大，轉(zhuǎn)化為冠狀軸向生長的能量比例增大，而轉(zhuǎn)化為徑向擴(kuò)張的能量比例減小，故使冠頂直徑隨液膜厚度的增加而減?。?/p>

圖9?無量綱冠頂高度的變化

圖10?無量綱冠頂直徑的變化

由圖9和圖10可以得知，無量綱冠頂高度及冠頂直徑隨韋伯?dāng)?shù)的變化曲線大致呈線性增長趨勢，故對曲線進(jìn)行線性擬合后，可得到無量綱冠狀參數(shù)與韋伯?dāng)?shù)的關(guān)系．假設(shè)無量綱冠狀參數(shù)與韋伯?dāng)?shù)的關(guān)系式為

(10) (11)

將各液膜黏度和無量綱液膜厚度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于式(10)和式(11)可得到系數(shù)1、2、1、2擬合值．可以看出，相同黏度工況下，擬合曲線斜率1和2基本不隨無量綱液膜厚度而變化，相同無量綱液膜厚度工況下，斜率隨黏度增大而降低，故可以給出1和2與液膜黏度的關(guān)系．而擬合曲線的截距1和2既隨液膜黏度變化，又隨無量綱液膜厚度變化，與液膜的無量綱數(shù)歐尼索格數(shù)()存在關(guān)系．液膜的數(shù)定義為

(12)

圖11和表5分別給出了1、2與液膜黏度和1、2與數(shù)的擬合關(guān)系曲線及具體關(guān)系式．應(yīng)用式(10)和(11)及公式系數(shù)關(guān)系式，在給定入射液滴韋伯?dāng)?shù)、液膜黏度和無量綱液膜厚度情況下，可以得到無量綱冠狀參數(shù)值．

圖11?無量綱冠狀參數(shù)公式系數(shù)擬合曲線

表5?無量綱冠狀參數(shù)曲線系數(shù)關(guān)系式

Tab.5 Relation between coefficients of dimensionless crown parameters formula

3?結(jié)?論

本試驗(yàn)采用LIF方法，探究了單液滴撞擊不同物性流體液膜濕壁面后液膜的發(fā)展動態(tài)．并系統(tǒng)分析了入射液滴韋伯?dāng)?shù)、液膜黏度和無量綱液膜厚度對撞擊后液膜狀態(tài)的影響．對撞壁后液膜冠狀形態(tài)進(jìn)行了劃分，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了不同液膜冠狀形態(tài)躍遷的臨界韋伯?dāng)?shù)與無量綱液膜厚度的關(guān)系式以及無量綱冠狀參數(shù)與韋伯?dāng)?shù)的關(guān)系式．結(jié)論如下．

(1) 單液滴撞擊液膜后，液膜的形態(tài)可分為3種：穩(wěn)定冠狀形態(tài)、飛濺冠狀形態(tài)和劇烈飛濺冠狀?形態(tài)．

(2) 液滴撞擊后，液膜形態(tài)與入射液滴韋伯?dāng)?shù)、液膜黏度和無量綱液膜厚度密切相關(guān)．入射液滴韋伯?dāng)?shù)越大，液膜越容易飛濺，形態(tài)變化越劇烈，無量綱冠頂高度及冠頂直徑越大，冠狀到達(dá)頂點(diǎn)時(shí)間以及維持時(shí)間越長．相同韋伯?dāng)?shù)和無量綱液膜厚度下，隨液膜黏度的升高，無量綱冠頂高度和冠頂直徑均減小，冠狀到達(dá)頂點(diǎn)時(shí)間和維持時(shí)間均縮短；相同韋伯?dāng)?shù)和液膜黏度下，隨無量綱液膜厚度的增大，無量綱冠頂高度先升高后降低，無量綱冠頂直徑不斷減小，冠狀上升至頂點(diǎn)的時(shí)間以及維持時(shí)間均增加．

(3) 給定液膜黏度和無量綱液膜厚度，可根據(jù)擬合公式得到液滴撞擊液膜的臨界韋伯?dāng)?shù)．在入射液滴韋伯?dāng)?shù)已知情況下，可以預(yù)測撞擊后的液膜冠狀形態(tài)，并通過無量綱冠狀參數(shù)與韋伯?dāng)?shù)的關(guān)系式獲得無量綱冠狀參數(shù)值．

［1］ Bergeron V，Bonn D，Martin J Y，et al. Controlling droplet deposition with polymer additives[J]. Nature，2000，405：772-775.

［2］ Pan?o M，Moreira A L N. Flow characteristics of spray impingement in PFI injection systems[J]. Experiment in Fluids，2005，39：364-374.

［3］ Rioboo R，Tropea C，Marengo M. Outcome from a drop impact on solid surfaces[J]. Atomization and Sprays，2001，11：155-165.

［4］ Rioboo R，Tropea C，Marengo M. Time evolution of liquid drop impact onto solid，dry surfaces[J]. Experiments in Fluids，2002，33：112-124.

［5］ Julián Palacios，Julio Hernández，Pablo Gómez，et al. Experimental study of splashing patterns and the splashing/deposition threshold in drop impacts onto dry smooth solid surfaces[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2013，44：571-582.

［6］ Tang Chenglong，Qin Mengxiao，Wen Xinyan，et al. Dynamics of droplet impact on solid surface with different roughness[J]. International Journal of Multiphase Flow，2017，96：56-69.

［7］ Cossali G E，Marengo M，Coghe A，et al. The role of time in single drop splash on thin film[J]. Experiments in Fluids，2004，36：888-900.

［8］ Tomio Okawa，Takuya Shiraishi，Toshiaki Mori. Production of secondary drops during the single water drop impact onto a plane water surface[J]. Experiment in Fluids，2006，41：965-974.

［9］ Vander Wal R L，Berger G M，Mozes S D. Droplets splashing upon films of the same fluid of various depths[J]. Experiments in Fluids，2006，40：33-52.

［10］ Motzkus C，Gensdarmes F，Gehin E，et al. Study of the coalescence/splash threshold of droplet impact on liquid films and its relevance in assessing airborne particle release[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2011，362：540-552.

［11］ Burzynski D A，Bansmer S E. Droplets splashing on thin moving films at high Weber numbers[J]. International Journal of Multiphase Flow，2018，101：202-211.

［12］ Yarin A L，Weiss D A. Impact of drops on solid surfaces：Self-similar capillary waves，and splashing as a new type of kinematic discontinuity[J]. Fluid Mech，1995，283：141-173.

［13］ 秦?靜，郭瑞濤，裴毅強(qiáng)，等. 不同燃料自由噴霧及噴霧撞壁特性試驗(yàn)研究[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2018，51(8)：854-862.

Qin Jing，Guo Ruitao，Pei Yiqiang，et al. Experimental investigation on free spray and impinging spray fueled with different fuels[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2018，51(8)：854-862(in Chinese).

［14］ Lin S，Zhao B，Zou S，et al. Impact of viscous droplets on different wettable surfaces：Impact phenomena，the maximum spreading factor，spreading time and post-impact oscillation[J]. Journal of Colloid & Interface Science，2018，516：86-97.

［15］ Senda J，Kanda T，Al-Roub M，et al. Modeling spray impingement considering fuel film formation on the wall [C]//SAE Technical Paper. Detroit，USA，1997：36-51.

［16］ Range K，F(xiàn)euillebois F. Influence of surface roughness on liquid drop impact[J]. Colloid Interf Sci，1998，203：16-30.

［17］ Julián Palacios，Julio Hernández，Pablo Gómez，et al. Experimental study of splashing patterns and the splashing/deposition threshold in drop impacts onto dry smooth solid surfaces[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2013，44：571-582.

［18］ Cossali G E，Marengo M，Coghe A，et al. The impact of a single drop on a wetted solid surface[J]. Experiments in Fluids，1997，22：463-472.

［19］ Xu Mingjun，Zhang Jiaqing，Li Quan，et al. The influence of liquid pool temperature on the critical impact Weber number for surface bubble formation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，127，2018：677-682.

Characteristics of Single Droplet Impact on Liquid Film with Different Viscosity

Pei Yiqiang1，Zhu Qingyang1，Peng Zhijun1，Qin Jing1, 2，Lu Lili1，Peng Zhengshan1，Liu Yi1

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2. Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In this study，laser-induced fluorescence(LIF)test was used for determining the impingement behavior of single droplet impact on liquid film with different physical properties. The effect of incident droplet Weber number，dimensionless liquid film thickness，and liquid film viscosity on the morphology of liquid film after impact was investigated. After the droplet impact，the liquid film can be divided into three states：Stable crown，splashed crown，and fast splashed crown. The larger the Weber number of the incident droplets，the easier the liquid film will be splashed and the more severely the morphology will change. Under the same liquid film viscosity and dimensionless liquid film thickness，the dimensionless crown height increases with increasing Weber number of the incident droplets. When the Weber number is larger，the time required to reach the crown summit will be longer and the crown maintenance time will expand. When keeping the Weber number of the incident droplet and the dimensionless liquid film thickness constant，the dimensionless crown height decreases，the time to reach the crown apex is advanced，and the crown maintenance time is shortened with increasing viscosity of the liquid film. Under the same Weber number and liquid film viscosity，the dimensionless crown height increases first and then decreases with increasing dimensionless liquid film thickness. However，the time to reach the crown vertex and the crown maintenance time continuously increase. Under the same dimensionless liquid film thickness and liquid film viscosity，the dimensionless crown diameter increases with increasing Weber number of the incident droplet. When keeping the Weber number of the incident droplet and the dimensionless liquid film thickness unchanged，the dimensionless crown diameter decreases with increasing viscosity of the liquid film. Under the same Weber number and liquid film viscosity，the dimensionless crown diameter decreases with increasing dimensionless oil film thickness. The experimental data were used to fit the relation between the critical Weber number and the dimensionless liquid film thickness and among the dimensionless crown height，the diameter，and the Weber number.

single droplet impact；liquid film crown；critical Weber number；dimensionless crown parameters

the National Natural Science Foundation of China(No. 51676136).

TK418.9

A

0493-2137(2019)09-0949-10

2018-09-17；

2018-12-18.

裴毅強(qiáng)（1967—），男，博士，副教授，peiyq@tju.edu.cn.

裴毅強(qiáng)，peiyq@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51676136)．

10.11784/tdxbz201809053

(責(zé)任編輯：金順愛)