高韋伯數(shù)液滴撞壁誘導的中間射流破碎現(xiàn)象

范隆杰，吳?晗，岑春澤，李佳峰，劉福水

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高韋伯數(shù)液滴撞壁誘導的中間射流破碎現(xiàn)象

范隆杰，吳?晗，岑春澤，李佳峰，劉福水

(北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

針對內(nèi)燃機缸內(nèi)附壁油膜問題，模擬液滴撞壁過程，設計開發(fā)了氣體驅(qū)動單液滴高速撞擊熱壁面試驗系統(tǒng)．研究了液滴高速撞壁對二次霧化的影響，同時考慮壁面溫度對撞擊效果的影響．結(jié)果表明，目前液滴撞壁研究的韋伯數(shù)范圍多是20～1000，而通過使用驅(qū)動氣體(氮氣)將小液滴加速至10.8m/s，從而產(chǎn)生碰壁韋伯數(shù)高達4057的液滴；液滴在韋伯數(shù)高達一定條件下發(fā)生射流破碎現(xiàn)象，熱效應并不是唯一導致其產(chǎn)生的因素；隨著韋伯數(shù)的增加，射流高度及產(chǎn)生的次級液滴數(shù)量也隨之增加；隨著壁面溫度升高，發(fā)生中間射流現(xiàn)象時的韋伯數(shù)隨之降低；在高韋伯數(shù)條件下，在遠高于水的Leidenfrost臨界溫度時并沒有明顯的Leidenfrost現(xiàn)象產(chǎn)生．

液滴撞壁；壁面溫度；高韋伯數(shù)；中間射流

在工業(yè)生產(chǎn)中可以廣泛觀察到液滴撞壁現(xiàn)象，如噴霧冷卻、噴墨印刷、等離子噴涂、金屬成型和內(nèi)燃機燃油噴射[1-2]．對于缸內(nèi)直噴發(fā)動機，燃油液滴極易碰撞并附著在汽缸壁和活塞上，形成附壁油膜，這被認為是導致超級爆震和顆粒排放的主要原因之一[3-5]．

如果能深入了解液滴撞壁的機理并控制其碰撞效果，則可能緩解柴油機冷啟動燒蝕和汽油機超級爆震的問題．研究發(fā)現(xiàn)，特定高溫條件下液滴撞擊高溫壁面后會在液滴和壁面之間形成一層氣膜，從而阻礙油液附著至燃燒室表面．此外，液滴撞擊高溫壁面后會發(fā)生劇烈的二次霧化現(xiàn)象，形成大量的次級液滴，增強燃油的霧化水平，有利于燃油的蒸發(fā)．滿足該條件下的燃油撞壁后液滴不附著于壁面上，在缸內(nèi)湍流作用下，燃油液滴會再次卷入氣流繼續(xù)蒸發(fā)并形成較為均質(zhì)的混合氣，從而可以避開燒蝕和超級爆震的非正常燃燒．此過程不僅與液滴的特征尺寸、初始狀態(tài)有關，更與壁面的溫度有關．

關于液滴撞壁過程，前人已經(jīng)進行過大量的研究工作，如液滴撞擊常溫固體平面、疏水壁面和液膜等.

在低壁面溫度條件下，如果韋伯數(shù)足夠低(≈5)[6]，液滴會飛濺并反彈數(shù)次，最后沉積在表面上．隨著韋伯數(shù)的增加，1個環(huán)面將在液滴上形成并主要受瑞利不穩(wěn)定性影響．如果在環(huán)面達到其最大直徑之前不穩(wěn)定性導致環(huán)面破裂，則會發(fā)生飛濺．否則，環(huán)面將收縮到中心位置并發(fā)生反彈．此外，還有許多碰撞模型，如手指伸展、手指分裂、瞬間飛濺、冠狀飛濺等，碰撞時的液滴能量是主要影響因素[7]．當發(fā)生冠狀飛濺時，液滴首先轉(zhuǎn)化為冠狀，然后冠狀物分解產(chǎn)生小得多的二級液滴[8]．Tang等[9]發(fā)現(xiàn)一些二次液滴從接觸線周邊噴出．

當壁面溫度高于液體飽和溫度時，二次霧化不會通過所謂的“冠狀飛濺”或其他可能的結(jié)果影響冷表面，而是通過鋪展薄層中擴散薄層的氣液界面上的蒸氣泡形成和分解[10]．事實上，在幾十年前，Wachters等[11]、Naber等[12]發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，并指出，當壁面溫度低于Nukiyama溫度時，即使在韋伯數(shù)較低的情況下，擴散后薄片也會強烈收縮，并產(chǎn)生二次液滴．據(jù)報道如果蒸氣泡越來越大，液滴在薄液膜上的沖擊就會產(chǎn)生高熱量[13-14]．它已廣泛應用于噴霧冷卻行業(yè)[15]．

當壁面溫度高于萊登弗羅斯特臨界點的情況下，中間射流一般在相對較高的韋伯數(shù)條件下形成．Cossali等[16]進行了實驗，研究由液滴撞擊加熱壁面產(chǎn)生的二次霧化現(xiàn)象．在他們的工作中，認為二次霧化只是由于熱(沸騰)效應導致．他們指出，在薄膜沸騰狀態(tài)下，中間射流會形成次級液滴．然而，這種中間射流現(xiàn)象在黏度增加時消失，他們認為液滴動能被高黏性耗散可能是造成這種現(xiàn)象的原因．后來，Cossali等[17]報道中間射流出現(xiàn)在壁面溫度大于230℃的條件下．一個可能的解釋是由于快速形成的中心氣泡引起沖擊點產(chǎn)生壓力波是主要誘因，但沒有實驗證據(jù)支持這種猜想．他們還指出，中間射流特性略微依賴于表面粗糙度，但更強烈地依賴于壁溫和沖擊速度．而在Tran等[18]的后續(xù)工作中表示在粗糙表面上觀察到中間射流，但從未在光滑表面上出現(xiàn)．他們也給出了與Cossali等[17]相似的解釋．

Liang等[19]指出，在較低粗糙度表面下氯化鈉溶液液滴可形成中間射流．他們認為中間射流形成與液滴沖擊過程中碰撞點處的氣泡夾帶有關，而溶液中由于溶解的NaCl作用會強烈加劇氣泡的成核．由于分裂現(xiàn)象很復雜，他們將Leidenfrost臨界點附近的現(xiàn)象分為3種類型：反射回彈，爆發(fā)性反彈，爆炸性分離．

上面提到的所有工作都在低韋伯數(shù)下進行，因此，在本次工作中，通過使用推進氣體(氮氣)對小液滴進行加速從而產(chǎn)生碰壁韋伯數(shù)高達4057的液滴，在高韋伯數(shù)條件下研究中間射流現(xiàn)象．

1?實驗裝置

液滴撞擊加熱壁面過程非常短暫，撞擊過程的動態(tài)變化用肉眼難以觀察到，因此需要借助高速相機記錄液滴撞壁過程，來獲取液滴撞壁時的運動和形態(tài)變化過程．本文建立了液滴高速撞擊加熱壁面實驗平臺，通過高速相機拍攝液滴撞擊壁面的過程，然后對液滴撞擊加熱壁面時液滴的運動和形態(tài)變化進行記錄并對其進行圖像數(shù)據(jù)處理．液滴高速撞擊加熱壁面實驗平臺如圖1所示，主要實驗裝置包括氣路系統(tǒng)、氣流加速控制系統(tǒng)、高速相機、恒溫加熱儀、氙燈、勻光片、注射器、注射泵、支架和計算機等．

圖1?實驗裝置示意

為更好地觀測液滴撞壁時的運動及形態(tài)變化，本實驗使用Phantom V7.3高速相機記錄液滴撞壁過程，拍攝速度為10000幀/s，圖像分辨率為512×512，曝光時間為15μs，為保證拍攝的圖像足夠清楚，高速相機配有Tamron微距鏡頭(180mm，-3.5)．

液滴由注射泵推動注射器針頭釋放，通過一段細長圓管中的驅(qū)動氣流對單液滴進行加速，從而在管子出口處獲取1個遠超其自由下落相同的距離所獲得的速度，此速度的大小與加速氣流的雷諾數(shù)以及管子的長度有關．

加熱表面尺寸為150mm×100mm，由拋光鋁基板制成．最高加熱溫度為450℃的恒溫加熱器內(nèi)置陶瓷加熱板，以確保加熱均勻．溫度由PID系統(tǒng)控制.恒溫條件下熱表面上各點的溫度誤差在1℃以內(nèi).為控制誤差，使用K型接觸式溫度計來測量溫度，以保持表面溫度在250℃．另外，在多次撞擊液滴后，局部表面溫度會有所下降．在這種情況下，沖擊頻率不應太高，每5次沖擊液滴后，表面溫度將由K型接觸式溫度計監(jiān)測．功率為300W的氙燈與高速攝像機相對放置，以照亮液滴沖擊的行為．將PC光漫射板放置在氙燈和恒溫加熱器之間以確保光均勻分布．本實驗通過調(diào)節(jié)流量控制器改變液滴的撞擊速度．并通過MATLAB和Photoshop軟件采用像素分析法獲得液滴直徑、液滴撞壁速度等圖像數(shù)據(jù)．

2?實驗結(jié)果分析

本文選用的液滴組分為蒸餾水，為避免液滴偏移對實驗結(jié)果有影響，本實驗中液滴出口位置距熱壁面20mm．生成蒸餾水液滴所使用的注射器針頭內(nèi)徑為0.25mm，此時生成的液滴直徑為2.5mm．在沒有使用推進劑氣體的情況下，在分配器高度為1.8m處釋放的自由下落的液滴將實現(xiàn)4.06m/s的撞擊速度．在所研究的氣流范圍內(nèi)，推進劑氣體能夠?qū)⒁旱渭铀僦?0.8m/s．可實現(xiàn)的液滴速度與管出口處的氣體速度之間的關系取決于液滴的直徑及質(zhì)量、管流雷諾數(shù)、管的長徑比．

2.1?對液滴形態(tài)變化的影響

通過在高速氣流中推進液滴，本實驗允許實現(xiàn)的液滴沖擊速度及韋伯數(shù)比單獨自由落體大約高1個數(shù)量級．圖2為利用這種技術獲得的最大液滴出口韋伯數(shù)與從前幾乎僅限于自由落體狀態(tài)的研究所達到的最大韋伯數(shù)相對比．在Stow等[20]的工作中發(fā)現(xiàn)了一個例外，其目標表面朝著液滴自由落下的方向被垂直向上加速，以增加液滴相對沖擊速度．所有其他的研究都受到自由落體終端速度的限制，從而產(chǎn)生的韋伯數(shù)局限在20～1000范圍內(nèi)．通過推進劑氣體加速的液滴，碰壁韋伯數(shù)增加了約4倍，最多增至4100．圖3為液滴韋伯數(shù)與流量控制器顯示流量的關系．圖4中，可明顯看到，液滴撞壁韋伯數(shù)(d)對3個物理變量(擴散的時間速率、最大擴散直徑、所得液膜的厚度)有很強的影響．

圖2?液滴撞壁研究中最高韋伯數(shù)的比較

圖3?液滴撞壁時刻韋伯數(shù)與驅(qū)動氣體流量的關系

圖4?不同韋伯數(shù)下液滴撞擊常溫壁面的動態(tài)過程

2.2?中間射流破碎現(xiàn)象

2.2.1?韋伯數(shù)對中間射流破碎的影響

隨著液滴韋伯數(shù)的增加，液滴撞壁后的形態(tài)與低韋伯數(shù)時有所不同．圖5所示為韋伯數(shù)2993時，液滴撞擊常溫壁面的形態(tài)變化過程．液滴撞壁后＝0.3ms時，在左側(cè)出現(xiàn)一個尖銳的凸起．隨后凸起發(fā)展成一個不規(guī)則液柱，在液滴鋪展的過程中液柱向外側(cè)轉(zhuǎn)移；當＝1.5ms時液滴鋪展直徑達到最大，此時液柱繼續(xù)向外轉(zhuǎn)移，因為液滴直徑不再擴大，所以液柱脫離液滴主體．此過程中液柱的高度一直在上升，脫離后的液柱由于流體動力不穩(wěn)定性發(fā)生破碎，邊緣有尺寸極小的液滴射出，液柱主體有斷裂成次級液滴的趨勢，但由于表面張力和黏性等耗散因素，液柱未能斷裂成完整的次級液滴，上、下兩部分仍有絲狀?連接．

圖5 Wed＝2993時液滴撞擊常溫壁面的形態(tài)變化過程

圖6為韋伯數(shù)為3471時液滴撞擊常溫壁面的形態(tài)變化過程，與圖5相比，過程類似，但形態(tài)變化更為劇烈．液滴撞擊壁面后＝0.1ms時，在液滴接觸線處發(fā)生快速飛濺，邊緣處分離出尺寸微小的次級液滴，與圖5相比其初始動能更大，撞擊壁面后轉(zhuǎn)化成的表面能也更大．當＝0.3ms時，液滴左側(cè)出現(xiàn)尖銳凸起，隨后凸起繼續(xù)發(fā)展，可能受流體不穩(wěn)定的影響，形成不規(guī)則的液柱，液柱沿徑向方向繼續(xù)移動，沿軸向方向迅速上升，此過程中產(chǎn)生次級液滴．當＝1.5ms時，液滴鋪展直徑達到最大，射流液柱繼續(xù)沿徑向方向移動，故導致射流的液柱與液滴薄片發(fā)生斷裂，液柱繼續(xù)伸長并受流體不穩(wěn)定性的影響分離出次級液滴．對比圖5和圖6，可以看出隨著韋伯數(shù)的增加，射流液柱的高度增加，分離出的次級液滴也增多．該差異的出現(xiàn)與液滴初始動能的不同有關，初始動能的增加導致射流液柱獲得的動能增加，其上升高度也增加．

圖6 Wed＝3471時液滴撞擊常溫壁面的形態(tài)變化過程

圖7為韋伯數(shù)為4057時液滴撞擊常溫壁面的形態(tài)變化過程．與圖5和圖6相比，凸起出現(xiàn)的位置發(fā)生在液滴中間，且表現(xiàn)出一定的對稱性．當＝0.4ms時，凸起下端皺縮，液柱迅速上升，像一團爆炸升起的蘑菇云．液柱被拉長，且中間出現(xiàn)1個錐形凸起，錐形凸起先增大后減小，最后變成1個大的次級液滴．此時液柱升起高度高于韋伯數(shù)2993和3471時的情況．射流液柱的高度與產(chǎn)生的液滴數(shù)和次級液滴直徑也隨著韋伯數(shù)的增加而增加．

圖7 Wed＝4057時液滴撞擊常溫壁面的形態(tài)變化過程

如上文所述，在本次實驗中，水滴在韋伯數(shù)為2993到4057時撞擊常溫壁面產(chǎn)生射流破碎現(xiàn)象．這并不是說明韋伯數(shù)等于2993和4057是臨界值，受限于實驗條件，沒有進行更高韋伯數(shù)的實驗．根據(jù)Cossali等[16]進行的實驗，研究由液滴撞擊加熱壁面產(chǎn)生的二次霧化現(xiàn)象．在他們的工作中，認為二次霧化只是由于熱(沸騰)效應導致；在薄膜沸騰狀態(tài)下，中間射流會形成次級液滴．然而，這種中間射流現(xiàn)象在黏度增加時消失，他們認為液滴動能被高黏性耗散可能是造成這種現(xiàn)象的原因．后來，Cossali等[17]報道中間射流出現(xiàn)在壁面溫度高于230℃的條件下．一個可能的解釋是由于快速形成的中心氣泡引起沖擊點產(chǎn)生壓力波是主要誘因，但沒有實驗證據(jù)支持這種猜想．他們還指出，中間射流特性略微依賴于表面粗糙度，但更強烈地依賴于壁溫和沖擊速度．在Cossali等進行的實驗中，韋伯數(shù)僅僅為285，本實驗的韋伯數(shù)提高了一個量級，并在常溫及低于230℃的條件下發(fā)現(xiàn)射流破碎現(xiàn)象，因此射流破碎現(xiàn)象并不只是由熱(沸騰)效應導致，高韋伯數(shù)也會導致射流破碎現(xiàn)象的發(fā)生．

2.2.2?溫度對中間射流破碎的影響

圖8為液滴韋伯數(shù)3500條件下液滴撞擊溫度(w)為60℃的熱壁面時的形態(tài)變化過程．其現(xiàn)象與圖7類似，但其韋伯數(shù)相對較小．

圖8 Wed＝3471時液滴撞擊溫度為60℃熱壁面的形態(tài)變化過程

圖9為液滴韋伯數(shù)3500條件下撞擊167.5℃熱壁面時的形態(tài)變化過程．其現(xiàn)象與圖6類似．

圖9 Wed＝3500時液滴撞擊溫度為167.5℃熱壁面的形態(tài)變化過程

圖10為液滴韋伯數(shù)為3500撞擊233℃熱壁面時的形態(tài)變化過程．此溫度遠高于水的Leidenfrost臨界溫度，但未產(chǎn)生明顯的Leidenfrost現(xiàn)象．如圖8～圖10所示，凸起產(chǎn)生于＝0.2ms，當＝0.3ms時，凸起產(chǎn)生變形，其形狀變化劇烈，且十分迅速，邊緣極其不規(guī)則并伴隨微小的次級液滴射出，所以我們認為射流現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與液滴所含的氣泡有關.該氣泡可能在生成液滴時伴隨產(chǎn)生，也可能是液滴撞擊壁面時接觸氣膜會有部分氣體夾雜從而產(chǎn)生．

圖10 Wed＝3500時液滴撞擊溫度為233℃熱壁面的形態(tài)變化過程

Liang等[19]在研究5.21%NaCl溶液撞擊壁面的實驗時也發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象，而且他們觀測到了液滴撞擊壁面過程中液滴內(nèi)部產(chǎn)生了一個氣柱狀的射流，該現(xiàn)象的生成及其分析也是與氣泡的生成和NaCl溶液的空氣溶解度有關．

如圖11所示，隨著壁面溫度的增加，液滴發(fā)生射流破碎現(xiàn)象時所需的韋伯數(shù)在降低，故認為水滴射流破碎的產(chǎn)生并不嚴格限制于溫度高于230℃(模態(tài)沸騰)條件下，圖中所示的韋伯數(shù)并不是射流破碎發(fā)生的臨界值．且張瑜等[23]研究發(fā)現(xiàn)，當液滴以較大速度撞擊壁面時，壁面溫度的升高有利于液滴破碎．

圖11 液滴發(fā)生中間射流時的韋伯數(shù)與壁面溫度的關系

3?結(jié)?論

本文通過建立液滴高速撞擊加熱壁面實驗平臺，對液滴韋伯數(shù)及壁面溫度液滴撞擊加熱壁面過程的影響進行實驗研究，分析了液滴韋伯數(shù)及壁面溫度對液滴射流破碎的影響情況．主要結(jié)論如下：

(1)本實驗平臺可以通過在高速氣流中推進液滴，允許實現(xiàn)的液滴沖擊速度及韋伯數(shù)比單獨自由落體大約高1個數(shù)量級．在所研究的氣流范圍內(nèi)，驅(qū)動氣體能夠?qū)⒁旱渭铀僦?0.8m/s．可實現(xiàn)的液滴韋伯數(shù)為571～4057，并可通過流量控制器對其進行控制.

(2)液滴在韋伯數(shù)高達一定條件下發(fā)生射流破碎現(xiàn)象，熱效應并不是唯一導致其產(chǎn)生的因素．隨著韋伯數(shù)的增加，射流高度及產(chǎn)生的次級液滴數(shù)量也隨之增加．

(3)隨著溫度增加，液滴產(chǎn)生射流破碎現(xiàn)象時的韋伯數(shù)降低．

(4)在高韋伯數(shù)條件下，在遠高于水的Leidenfrost臨界溫度時并沒有明顯的Leidenfrost現(xiàn)象產(chǎn)生，未來可能會針對此現(xiàn)象開展實驗．

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Phenomenon of Central Jet Breakage Induced by High-Weber-Number Droplet Impact

Fan Longjie，Wu Han，Cen Chunze，Li Jiafeng，Liu Fushui

(School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology University，Beijing 100081，China)

In consideration of the problem of fuel film on the cylinder wall in an internal combustion engine，the process of droplet impact was simulated in this paper. A test system was designed and developed in which a gas-driven single-droplet impacted the hot wall at high speeds.The effect of high-speed droplet impact on the secondary atomization was studied，and the influence of wall temperature on the impact effect was also considered. Compared with the Weber number range of mostly 20—1000 from current studies on droplet impact，the speed of droplets accelerated to 10.8m/s by using the driving gas(i.e.，nitrogen)，thereby generating droplets with a Weber number of up to 4057. The phenomenon of jet breakage occurred when the Weber number grew to a certain value，so the thermal effect was not the only inducing factor. As the Weber number grew，the jet height and the number of resulting secondary droplets increased accordingly. With the growth of wall temperature，the Weber number decreased as the central jet occurred. Under the condition of high Weber number，no obvious Leidenfrost phenomenon occurred at the temperature much higher than the Leidenfrost temperature of water.

droplet impact；wall temperature；high-Weber-number；central jet

TK407.9

A

1006-8740(2019)03-0197-07

2019-01-09

國家自然科學基金資助項目(51806014).

范隆杰（1996—??），男，碩士研究生，578662546@qq.com.

吳?晗，男，博士，講師，hwu@bit.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201901011