水平磁場作用下金屬液滴撞擊電解質(zhì)液池表面的實驗研究*

任東偉，陽倦成，倪明玖?

(1 中國科學院大學工程科學學院， 北京 101408; 2 西安交通大學航天航空學院機械結(jié)構(gòu)與強度國家重點實驗室， 西安 710049) (2020年7月13日收稿； 2020年8月3日收修改稿)

液滴撞擊現(xiàn)象普遍存在于自然界[1-2]和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(如噴霧冷卻[3]、油墨打印[4]、農(nóng)藥噴灑[5]、內(nèi)燃機[6])中，其豐富的物理現(xiàn)象和復雜的作用機理引起了研究人員的廣泛關(guān)注。根據(jù)液滴撞擊的物體表面類型的不同，大致可以分為撞擊固體表面[7-8]、薄液膜[9]和液池[10]3種情況。在這些研究中，不同撞擊參數(shù)(如液滴撞擊初速度、液滴直徑、液膜厚度)和液體物理性質(zhì)(如密度、表面張力、黏性)的差異，會導致撞擊后發(fā)生反彈[11]、部分融合[12-13]、完全融合[14]、飛濺[15-16]和中心射流[17]等多種不同的現(xiàn)象。關(guān)于這些現(xiàn)象的研究主要分為2個方向：第一是分析撞擊后液滴或液面形變的時間演化(如彈坑深度、冠狀形變和中心射流)；第二是研究不同現(xiàn)象之間的分界臨界參數(shù)并繪制相應相圖(如反彈/融合相圖、融合/飛濺相圖)。

本文采用高速攝像技術(shù)研究在水平磁場下液態(tài)金屬液滴撞擊電解質(zhì)溶液后的現(xiàn)象，并繪制不同現(xiàn)象的相圖，以探究磁場對于液態(tài)金屬液滴撞擊液池過程的影響作用。

1 實驗流體及裝置

1.1 實驗流體

前人對于磁場下液態(tài)金屬液滴撞擊的實驗研究較少，且多集中在液滴撞擊薄液膜[29]或者液滴撞擊固體表面[30]，這2種實驗只需要觀察到液面上方的形變和鋪展狀況，不需要觀察液滴進入液池后的形態(tài)，因此采用不透明的液態(tài)金屬作為液池的材料對實驗結(jié)果的觀測影響較??；而單純的液滴撞擊液池實驗多采用可視化較好的透明液體，如水、硅油、甘油、醇類，但這些流體的導電率較小，難以體現(xiàn)磁場對于撞擊現(xiàn)象的影響，而電解質(zhì)溶液則可以兼顧透明性和導電性。

因此，綜合考慮流體的導電性和透明性，本實驗采用鎵銦錫合金液滴(鎵67%、銦12.5%、錫10.5%)，液池的液體選擇21%的氫氧化鉀溶液，其物理性質(zhì)見表1，對應2種流體的表面張力之比為6.198。此外，鎵銦錫合金在空氣中較易氧化，因此在實驗過程中需要始終隔離空氣，本實驗采用氬氣保護。

表1 實驗流體的物理性質(zhì)Table 1 The properties of working liquid

1.2 實驗裝置

本實驗裝置主要包含電磁鐵、液滴生成裝置、高速攝像機、光源、氬氣供給裝置、隔絕空氣的亞克力箱體這幾部分，如圖1所示，水平磁場區(qū)域覆蓋針頭和液池的液面上下。電磁鐵可提供最大達2 T的均勻水平磁場，且保證磁場的最大非均勻度低于5%，電磁鐵的詳細性能參數(shù)和尺寸信息可以參考我們之前的文章[31]。液滴生成裝置是由注射泵和針頭，以及連接管路組成。液滴從針頭的尖端生成，在重力的作用下自由加速下落，靠調(diào)節(jié)針頭與液面間的距離控制液滴的初始撞擊速度。液滴在生成和下落過程均在透明密封的亞克力箱體中進行，其中充滿氬氣以防止液態(tài)金屬液滴的氧化而影響實驗結(jié)果[32]。高速相機(Phantom V341，Vision Research，Inc.)被水平安放于液面處，在其對面用照明燈光補充進光量，高速相機的拍攝頻率為5 000幀/s。高速相機捕獲的視頻數(shù)據(jù)由MATLAB程序和商業(yè)軟件ImageJ進行處理，以獲得相關(guān)碰撞參數(shù)和實驗數(shù)據(jù)。實驗裝置的可靠性在文獻[30]中已經(jīng)驗證，在此不再贅述。為了全面地獲得液滴撞擊氫氧化鉀溶液表面以及撞擊入水后形態(tài)變化，本實驗分2步進行，分別獲得液面上方的液滴撞擊液池特性和液滴在氫氧化鉀溶液中運動形態(tài)演化過程。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Sketch of the experimental system

1.3 實驗流程

在實驗開始前，需要打開氬氣開關(guān)，向亞克力箱體中持續(xù)充入氬氣，同時另一側(cè)不斷排出氬氣和空氣的混合氣體，這樣不斷減少箱體中的氧氣含量。在氧氣濃度滿足實驗要求后便可以打開注射泵，調(diào)整進液流量在針頭處產(chǎn)生合適下落間隔的液滴。實驗過程中通過調(diào)節(jié)針頭距液面的距離改變液滴撞擊初始速度，更換不同內(nèi)徑的針頭改變液滴尺寸，調(diào)節(jié)電磁鐵的電流大小改變外部磁場強度。同時，整個過程由高速相機記錄獲得視頻信息以便后期處理分析。后期的視頻文件可以轉(zhuǎn)換為連續(xù)的圖片文件，并通過 MATLAB程序和商業(yè)軟件ImageJ提取液滴輪廓所占像素數(shù)，進而獲得其直徑信息；撞擊速度則可通過對比撞擊前相鄰兩幅圖片的下降像素數(shù)除以拍攝間隔，再乘以放大倍率來獲得。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 液面上方結(jié)果

由于碰撞初始條件的不同，在液滴撞擊液池表面后，液滴會有融入液池、飛濺、反彈等不同現(xiàn)象，同時可能會伴隨著中心射流的產(chǎn)生。在較小We工況，中心射流為細射流，其產(chǎn)生的二次液滴尺寸較?。欢^大We，中心射流為粗射流，其產(chǎn)生的二次液滴較大[33]。本文采用鎵銦錫合金作為液滴，氫氧化鉀溶液作為液池，碰撞速度為0.7～2.8 m/s，液滴尺寸為2.4～3.7 mm，液池深度遠大于液滴尺寸，從而可忽略液池深度對于碰撞所產(chǎn)生現(xiàn)象的影響[34]。如圖2所示，可以在液面上方觀察到3種現(xiàn)象：(a)伴隨二次液滴的細射流、(b)伴隨即時飛濺的粗射流、(c)伴隨二次液滴的粗射流。其中，(a)和(c)是在無磁場下的現(xiàn)象，(b)是施加水平磁場后產(chǎn)生的新現(xiàn)象。金屬液滴撞擊液面后進入液池，因此液面上方的射流和飛濺等均為氫氧化鉀溶液而非液態(tài)金屬。在圖2(a)中，液滴撞擊液面后撞擊產(chǎn)生的毛細波向徑向逐漸擴散，液滴完全沒入液池后產(chǎn)生向上的細射流，射流頂端逐漸破碎為直徑較小的二次液滴(本次實驗中，Dsmall second drop<0.2D0)；而隨著We的增大，液滴初始撞擊階段產(chǎn)生即時飛濺液滴，隨后液面形成直徑較粗的中心射流，而后中心射流頂端因Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性斷裂成為較大的二次液滴(本次實驗中，0.5D0

此外，將不同的實驗結(jié)果繪制成We-Fr相圖。圖3(a)為無磁場下2種現(xiàn)象的相圖分布，可以看到伴隨著二次液滴的粗射流(綠色圓點)發(fā)生在較大We和Fr下，而伴隨著二次液滴的細射流(黑色方點)發(fā)生在較小的We和Fr工況中。施加水平磁場(B=1.5 T)后，這2種現(xiàn)象仍然存在，如圖3(b)所示。但是在2種現(xiàn)象的過渡區(qū)域會有一種新的現(xiàn)象，即伴隨即時飛濺的粗射流(圖3(b)中紅色三角點)發(fā)生，并且從圖中可以得到，伴隨即時飛濺的粗射流與伴隨著二次液滴的細射流的分界只與We有關(guān)，與Fr無關(guān)。

通過圖3(a)和3(b)的對比，可以看到水平磁場可以豐富撞擊現(xiàn)象的種類。為進一步研究磁場強度對于撞擊的影響，選取圖3(b)中的一種工況(We=217，F(xiàn)r=226)施加不同強度的磁場。圖4展示除磁場強度外其他碰撞參數(shù)均相同的一系列實驗現(xiàn)象，可以直觀地看到：與無磁場工況相比，從碰撞中期到后期，水平磁場均抑制中心射流垂直高度的演化，并且磁場強度越強，抑制作用越明顯。特別是在碰撞后期，如16 ms后，在無磁場下中心射流斷裂為二次液滴，施加較小磁場后，中心射流的喉部變細但未斷裂，施加較大磁場后，中心射流的高度還會顯著降低。由此可見，水平磁場對于碰撞現(xiàn)象的影響與磁場強度也有密切關(guān)系。

(a)We=28，F(xiàn)r=30，Ha=0；(b)We=199，F(xiàn)r=210，Ha=172；(c)We=266，F(xiàn)r=276，Ha=0。圖2 實驗中的3種現(xiàn)象Fig.2 Typical three outcomes

圖3 有無水平磁場下不同現(xiàn)象的相圖Fig.3 Phase diagram of outcomes with or without the influence of horizontal magnetic field

圖4 不同水平磁場強度下的液滴時序圖Fig.4 Typical snapshots of impact process with the influence of horizontal magnetic field of different intensities

2.2 液面下方結(jié)果

前一節(jié)討論了液面上方的實驗現(xiàn)象，本節(jié)將著重討論液面下方的現(xiàn)象。液滴撞擊液池后，會在液面上方發(fā)生飛濺、射流等現(xiàn)象，同時伴隨著液面下方豐富的物理現(xiàn)象。本次實驗發(fā)現(xiàn)，無磁場下金屬液滴撞擊液池后，隨著We的增大，會發(fā)生如圖5所示的5種現(xiàn)象：橢球震蕩、扁平震蕩、碗狀形變、解體破碎、第2次碗狀形變。當液滴以較小We撞擊液池后，液滴在液面以下后會以橫向和豎向交替為長軸作橢球形的震蕩，隨We的增大，橢球形會變?yōu)楸馄綘?、碗狀。而當We足夠大時，液滴會在液面下方破碎解體為幾個部分。當We很大時，類似之前出現(xiàn)過的碗狀形變再一次出現(xiàn)。其中，碗狀形變和二次碗狀形變的外形特征雖然類似，但是在2種現(xiàn)象中間會有顯著的解體破碎現(xiàn)象的發(fā)生，即隨著We的增大，液面下一個完整的碗狀液滴會破碎成為幾部分小型的液滴，而隨著We的繼續(xù)增大，又會出現(xiàn)一個完整的碗狀液滴。

當施加水平磁場后，和無磁場相比，液滴在水面下大體形態(tài)種類相同，但具體形狀發(fā)生變化，各形態(tài)種類的過渡We也會不同。圖6為施加磁場前后幾個典型時刻的形狀對比。從形狀來看，施加水平磁場后液滴都有了“上凸”的特性，如：扁平震蕩、碗狀形變和第2次碗狀形變的上方由水平變?yōu)樾⊥蛊?；從臨界We來看，磁場可以使得碗狀形變的We區(qū)域更寬，從而使得解體破碎的發(fā)生延后。

2.3 液面上下方結(jié)果的關(guān)聯(lián)

前面討論了液面上方和液面下方在有無磁場環(huán)境中的現(xiàn)象特征，我們在實驗中還發(fā)現(xiàn)液面上下方的現(xiàn)象其實有一定關(guān)聯(lián)性。圖7的前2行圖片為無磁場下液滴撞擊液池后液面上下的時間演化圖，可以看到當We=139時，液面上方產(chǎn)生伴隨二次液滴的細射流，同時液面下方液滴發(fā)生解體破碎；當We稍微增大到146時，液面上方的現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)榘殡S二次液滴的粗射流，而液面下方現(xiàn)象也過渡到第2次碗狀形變。圖7的后2行則展示了施加水平磁場后液面上下的現(xiàn)象，伴隨著We從196增加到208，液面上方的從伴隨即時飛濺的粗射流轉(zhuǎn)變?yōu)榘殡S二次液滴的粗射流，液面下方也剛好完成從解體破碎到第2次碗狀形變的轉(zhuǎn)變?？梢?，不管是否施加水平磁場，液面上方伴隨二次液滴的粗射流都伴隨著液面下方的第2次碗狀形變；而如果液面下方發(fā)生了解體破碎，則液面上方一定不會出現(xiàn)伴隨二次液滴的粗射流，對應無磁場下會出現(xiàn)伴隨二次液滴的細射流，有磁場下會出現(xiàn)伴隨即時飛濺的粗射流。

3 結(jié)論

本文運用高速成像技術(shù)以及圖像后處理程序研究金屬液滴撞擊電解池溶液的過程中液面上方和下方的形狀演化。在液面上方無磁場情況，發(fā)現(xiàn)伴隨二次液滴的細射流、伴隨二次液滴的粗射流2種現(xiàn)象，添加水平磁場增加伴隨即時飛濺的粗射流這種現(xiàn)象，并且基于實驗數(shù)據(jù)繪制了相關(guān)的相圖。此外，改變磁場強度的實驗結(jié)果表明水平磁場會抑制中心射流和二次液滴的產(chǎn)生，磁場強度越大，抑制作用越強。在液面下方，發(fā)現(xiàn)橢球震蕩、扁平震蕩、碗狀形變、解體破碎、第2次碗狀形變這5種現(xiàn)象，并且這5種現(xiàn)象的發(fā)生均與We有關(guān)。施加水平磁場后仍可觀察到這幾種現(xiàn)象，但是磁場會使得一些形變具有“上凸”特征，并且還會改變這些現(xiàn)象發(fā)生的We范圍。最后，不論有無磁場，液面上方的現(xiàn)象與液面下方的現(xiàn)象都具有一定的關(guān)聯(lián)性：液面上方產(chǎn)生二次液滴的粗射流始終伴隨著液面下方的碗狀形變，而其與液面下方的解體破碎不會同時出現(xiàn)。