壁面浸潤(rùn)性對(duì)液滴撞擊液面行為的影響

李 享，劉 念，謝 劍,3，徐進(jìn)良,3*

(1.華北電力大學(xué) 低品位能源多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206； 2.中國(guó)電建集團(tuán) 重慶工程有限公司，重慶 400060； 3.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

液滴撞擊液面現(xiàn)象的研究始于1875年[1]，先后發(fā)現(xiàn)了反彈、漂浮、渦流環(huán)及初級(jí)氣泡現(xiàn)象，并探索出這些現(xiàn)象出現(xiàn)的條件[2-4].隨后，在初級(jí)氣泡現(xiàn)象上發(fā)現(xiàn)一類全新現(xiàn)象——射流.液滴撞擊液面后，會(huì)產(chǎn)生小的凹坑[5]，毛細(xì)波隨凹坑壁面向下傳播，匯聚于凹坑底部，凹坑急速收縮，并升起液柱，隨著液滴撞擊速度的增大，液柱上升速度也增大，液柱發(fā)生碎裂[6-7]，產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)液滴[8-9]，形成射流.文獻(xiàn)[10]總結(jié)了液滴撞擊液面現(xiàn)象的相關(guān)研究結(jié)果，繪制出We-Fr分區(qū)圖，得出了產(chǎn)生高速射流的邊界條件.

一般來(lái)說(shuō)，液滴撞擊液面行為取決于液滴撞擊速度、液滴尺寸、液體黏度[11]等因素.但是，研究人員一直忽略了壁面對(duì)液滴撞擊液面行為的影響，直到文獻(xiàn)[12]發(fā)現(xiàn)了一種只存在于壁面附近的新現(xiàn)象——大氣泡截留.文獻(xiàn)[12]定義無(wú)量綱物理量Db*=Db/D表示氣泡相對(duì)大小，其中D表示試管內(nèi)徑、Db表示氣泡直徑，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了Db*隨液滴沖擊速度線性增加的結(jié)論.在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[13]定義無(wú)量綱物理量D/d(d為液滴直徑)表示壁面的影響程度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出了液滴撞擊近壁區(qū)液面的We-D/d分區(qū)圖.

早期科研人員對(duì)液滴撞擊液面現(xiàn)象的研究始于液滴撞擊無(wú)限大液面(見(jiàn)圖1(a)).2012年以來(lái)，少量文獻(xiàn)開(kāi)始報(bào)道液滴撞擊壁面限制下的有限液面 (見(jiàn)圖1(b))的研究結(jié)果[12-13].隨著納米技術(shù)的發(fā)展，不同浸潤(rùn)性表面的制備難題逐漸被攻克，可通過(guò)多種方式制備出不同浸潤(rùn)性表面[14-18].研究人員已發(fā)現(xiàn)表面浸潤(rùn)性對(duì)液滴撞擊固體表面有決定性影響[19-21]，筆者則研究液滴撞擊不同浸潤(rùn)性壁面限制下有限液面的行為(見(jiàn)圖1(c)).

圖1 液滴撞擊液面的3種類型

1 表面制備和實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 表面制備及表征

實(shí)驗(yàn)需要制備3種不同浸潤(rùn)性(超親水、疏水和超疏水)內(nèi)壁的試管.制備過(guò)程如下：(1)將待處理的試管先后放入丙酮和無(wú)水乙醇，然后置于超聲波清洗器清洗3 min.(2)將清洗后的試管用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?(3)將氣泵、壓力桶及長(zhǎng)管噴槍按圖2組裝.(4)對(duì)要制備的表面，分別按表1配置噴涂溶液.(5)將噴涂溶液倒入壓力桶，密封.開(kāi)啟氣泵，待壓力桶壓力達(dá)到0.2 MPa時(shí)，置噴槍于離試管底部10 mm處，將噴槍開(kāi)至3檔(注：噴槍1檔為完全關(guān)閉，2檔為進(jìn)氣端閥門(mén)開(kāi)啟、進(jìn)料端閥門(mén)關(guān)閉，3檔為進(jìn)氣端及進(jìn)料端閥門(mén)同時(shí)開(kāi)啟)，持續(xù)2 s左右.隨后調(diào)整噴槍至2檔，使噴槍距試管底部10～40 mm范圍以10 mm·s-1速度移動(dòng)，吹干試管底部.(6)噴涂后將試管倒置，在室溫下自然干燥.

圖2 噴涂系統(tǒng)

表1 3類噴涂溶液

表面類型噴涂溶液超親水3%親水性納米二氧化硅乙醇溶液疏水子西萊ZXL-CSS納米自潔液超疏水3%疏水性納米二氧化硅乙醇溶液

圖3(a)中，由于團(tuán)聚作用，電鏡照片中顆粒(親水性納米二氧化硅)在表面非均勻分布，測(cè)得的靜態(tài)接觸角q=5.4°±2.0o.圖3(b)中，表面為一層致密的薄膜，測(cè)得的靜態(tài)接觸角q=98.8°±3.2°.圖3(c)中，疏水性納米二氧化硅在表面均勻分布，測(cè)得的靜態(tài)接觸角q=146.5°±7.3°.

(a):超親水試管，接觸角5.4°±2.0°;(b):疏水試管，接觸角98.8°±3.2°;(c):超疏水試管，接觸角146.5°±7.3°.圖3 SEM照片及接觸角

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

液滴撞擊液面現(xiàn)象的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4(a)所示，系統(tǒng)由液滴發(fā)生器、3維平移臺(tái)、高速攝影機(jī)(IDT，Motion Pro Y4)以及LED光源(貝陽(yáng)，LED-600AIII)組成.d表示液滴直徑，D表示試管內(nèi)徑，h表示液滴離開(kāi)針頭時(shí)刻液滴下沿與試管液面接觸線的垂直高度.取D為10，13 mm，d為2，3，4 mm，h為50～900 mm，LED光源功率為30 W，高速攝影的采集頻率為4 000 幀·s-1.

為了保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液滴落點(diǎn)位于試管中心，筆者巧妙使用鏡子校準(zhǔn)落點(diǎn).如圖4(b)所示，在試管的一側(cè)放置一面鏡子，其放置方向與高速攝影機(jī)拍攝方向成角度a，試管與鏡子的垂直距離為l.l與a的值不宜過(guò)大，否則圖像一側(cè)清晰，一側(cè)模糊，建議a小于15o.左右調(diào)節(jié)試管，使落點(diǎn)位于直線ABC.基于鏡像位置A′，B′，C′與實(shí)際位置A,B,C的關(guān)系，調(diào)節(jié)試管前后位置.例如，鏡像落點(diǎn)處于試管中心左側(cè)的A′點(diǎn)，實(shí)際落點(diǎn)位于A點(diǎn)，此時(shí)向前移動(dòng)試管，最終使落點(diǎn)位于試管正中心B點(diǎn)，反之亦然.

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(a)及液滴撞擊點(diǎn)校準(zhǔn)示意圖(b)

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 超疏水試管內(nèi)撞擊高度h對(duì)液滴撞擊液面行為的影響

選取d=3 mm，D=13 mm的超疏水試管，探究不同撞擊高度h對(duì)液滴撞擊液面行為的影響.當(dāng)撞擊高度為50 mm時(shí)，如圖5(a)所示，形成凹坑并回縮，液面上下震蕩后凹坑消失.這一結(jié)果與文獻(xiàn)[13]中的液滴融合現(xiàn)象相似.高度提高至250 mm時(shí)，如圖5(b)所示，液滴撞擊產(chǎn)生半球形凹坑，凹坑排開(kāi)的水使液面升高，由于壁面的超疏水特性，頂部的液體向試管中心聚集，使凹坑頂部的氣液接觸線向內(nèi)收縮.這種特殊的凹坑收縮方式使射流的射速極快，且直徑較小.高度提高至533 mm時(shí)，如圖5(c)所示，隨著撞擊高度h的繼續(xù)增大，射流的速度更快，直徑更細(xì).當(dāng)撞擊高度h增大至800 mm時(shí)，如圖5(d)所示，撞擊高度增大，使凹坑擴(kuò)張的速度增大、液面抬升速度增大、凹坑上側(cè)收縮速度增大，最終將凹坑封蓋，形成穹頂氣泡，射流現(xiàn)象消失.

(a):h=50 mm，融合；(b):h=250 mm，射流；(c):h=533 mm，射流；(d):h=800 mm，穹頂氣泡.圖5 超疏水試管內(nèi)撞擊高度h對(duì)液滴撞擊液面行為的影響

2.2 壁面浸潤(rùn)性對(duì)液滴撞擊液面行為的影響

選取D=13 mm，d=3 mm,h=450 mm，探究壁面浸潤(rùn)性對(duì)液滴撞擊液面行為的影響，結(jié)果如圖6所示.超親水情況如圖6(a)所示，凹坑擴(kuò)張排開(kāi)的水附在試管內(nèi)壁形成一層水膜，并最終回落.疏水和超疏水情況分別見(jiàn)圖6(b),(c)，兩者凹坑收縮過(guò)程中的形狀不同.疏水試管內(nèi)，凹坑下端向內(nèi)收縮，回彈升起的射流粗且速度小.超疏水試管內(nèi)，由于壁面的超疏水特性，凹坑頂部氣液接觸線向內(nèi)收縮，升起的射流細(xì)且速度大.

(a):超親水，融合；(b):疏水，射流；(c):超疏水，射流.圖6 壁面浸潤(rùn)性對(duì)液滴撞擊液面行為的影響

3 結(jié)果與分析

3.1 We-D/d現(xiàn)象分區(qū)圖

為直觀顯示各變量對(duì)液滴撞擊液面結(jié)果的影響，以D/d為橫坐標(biāo)，韋伯?dāng)?shù)We為縱坐標(biāo)，繪制出We-D/d現(xiàn)象分區(qū)圖(見(jiàn)圖7).由圖7可知，壁面越疏水，產(chǎn)生射流現(xiàn)象的撞擊高度范圍越大.

(a):超水；(b):疏水；(c)：超疏水.圖7 We-D/d分區(qū)圖

3.2 凹坑深度分析

圖8為凹坑深度ΔH示意圖，凹坑深度ΔH表示在凹坑出現(xiàn)最深的時(shí)刻，凹坑底部與兩側(cè)液面的高度差.

圖8 凹坑深度ΔH示意圖

圖9為凹坑深度ΔH隨撞擊高度h的變化情況.由圖9可知，其他條件相同，液滴直徑d增大，ΔH也隨之增大，這是由于液滴直徑d越大，液滴初始狀態(tài)所具有的重力勢(shì)能越大，撞擊后產(chǎn)生的ΔH越大.液滴直徑、試管直徑及撞擊高度相同情況下，壁面越疏水， ΔH越小.

(a)：D=13 mm，d=3 mm;(b)：D=13 mm，d=2 mm.圖9 凹坑深度ΔH隨撞擊高度h的變化

3.3 能量損耗分析

將液滴及試管內(nèi)的所有液體視為一個(gè)系統(tǒng)，將撞擊形成的凹坑簡(jiǎn)化成圓錐，分析液滴下落時(shí)刻至凹坑最大時(shí)刻系統(tǒng)的能量變化.初始狀態(tài)能量E1由液滴表面能Edrop、液滴重力勢(shì)能Ekd、液面表面能Epool以及液面重力勢(shì)能Ek1組成，其表達(dá)式為

E1=Edrop+Ekd+Epool+Ek1=

(1)

當(dāng)液滴撞擊凹坑達(dá)到最大高度ΔH時(shí)，此時(shí)的總能量由水與空氣接觸部分的表面能E′tap、重力勢(shì)能Ek2、水與試管內(nèi)壁接觸部分的表面能E′wall組成，其表達(dá)式為

E2=E′tap+Ek2+E′wall=

(2)

其中：hwall表示液面接觸線高度的變化.

(3)

當(dāng)凹坑底部低于初始狀態(tài)液面接觸線時(shí)，此時(shí)hwall為

(4)

撞擊過(guò)程中的能量損耗系數(shù)h為

(5)

將d，D，h，ΔH代入式(5)，得到的計(jì)算結(jié)果如圖10所示.由圖10可知，隨著液滴撞擊高度h的增大，能量損耗系數(shù)越大.其他條件相同，液滴直徑d越大，能量損耗系數(shù)越小.相同條件下，超親水的能量損耗系數(shù)h最高，疏水次之，超疏水最低.綜上所述，相同液滴直徑、試管直徑及撞擊高度下，壁面越疏水，能量損耗系數(shù)h越小，凹坑收縮后越容易產(chǎn)生射流，此結(jié)論與圖7的一致.

(a)：D=13 mm，d=3 mm;(b)：D=13 mm，d=2 mm.圖10 能量損耗系數(shù)h隨撞擊高度h的變化

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者采用納米噴涂方法，制備了內(nèi)壁具有超親水、疏水、超疏水浸潤(rùn)性的3種試管，使用高速攝影機(jī)記錄液滴撞擊液面的過(guò)程.將凹坑簡(jiǎn)化成圓錐，對(duì)液滴撞擊液面前后狀態(tài)進(jìn)行能量分析，得出了以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)試管內(nèi)徑與液滴直徑之比D/d較大時(shí)，隨著撞擊高度的增加，先后出現(xiàn)融合、射流、射流消失現(xiàn)象.

(2) 超疏水試管內(nèi)，隨著撞擊高度h的增加，凹坑頂部氣液接觸線的收縮速度不斷增大，將射流夾斷，形成穹頂氣泡，使射流現(xiàn)象消失.

(3) 液滴直徑、試管直徑及撞擊高度相同的情況下，壁面越疏水，液滴撞擊液面形成的凹坑越淺，相應(yīng)的能量損耗越小，凹坑收縮后越容易產(chǎn)生射流.