液滴撞击移动常温和冷表面动力学特性研究

发布时间：2020-04-08 14:05

【摘要】：液滴撞击表面在工程中广泛存在和应用,对液滴撞击移动常温表面和移动冷表面动力学行为研究具有科学意义和工程应用价值。本文研究了液滴撞击静止与移动常温与冷普通表面和常温超疏水表面的动力学行为特征,结论如下:1、液滴撞击移动表面铺展过程呈非对称分布,在液膜后端形成液指,液膜前端无液指。液膜后端尾流产生润湿沉积、单液指、断裂分离和多液指四种形态。剪切韦伯数较小时,液滴润湿沉积,随剪切韦伯数增大,单液指被拉伸和拉断,产生次生液滴,形成液滴断裂分离。撞击韦伯数较大时,液体向液膜后端聚集并产生多个液指。液滴纵向铺展因子随剪切韦伯数增大而增大,液滴最大横向铺展因子随剪切韦伯数增大而减小。相同时刻纵向铺展因子与横向最大铺展因子之比β1/αm与(Ws/Wn)1/2呈线性关系,β1/αm=0.61(We/Wen)1/2+0.64。2、液滴撞击静止常温超疏水表面时具有完全反弹、回缩中破碎和铺展中飞溅等三种形态。在41≤Wen≤73时,液滴完全反弹脱离壁面;在77≤Wen≤82时,液滴在回缩过程中破碎;在85≤Wen≤122时,液滴在铺展过程中飞溅。液滴撞击超疏水壁面后完全反弹和破碎的临Wen为77,回缩过程中破碎和铺展过程中飞溅的临界Wn为85。3、液滴撞击移动常温超疏水表面促进前端液膜出现液指,表面移动促进液指发生断裂,产生次生液滴;低速移动(Wen≤367)时,液滴未发生破碎,无次生液滴产生。中速移动(651≤Wes≤1018)时,铺展液膜前端会产生单液指,在回缩阶段,液指断裂、破碎,并产生次生液滴。高速移动(1465≤Wes)时,液滴液膜前端液指在铺展过程中破碎。表面移动促进液膜前端提前回缩反弹脱离表面,并对液膜拉伸导致整体液滴完全反弹脱离壁面,并被拉伸为不规则长条液体柱。前端液指反弹时间和液滴完全反弹时间随表面速度增大而减小。4、液滴撞击静止普通冷表面分为铺展阶段、回缩阶段和冻结沉积三个阶段。冻结阶段又可分为回缩过程冻结及铺展过程冻结。壁面温度对液滴铺展过程影响较小,但对回缩及冻结过程影响大。随壁面温度降低,液滴平衡态铺展因子具有先增大后减小变化规律。随撞击韦伯数Wen增加,液滴最大铺展因子增大;壁面温度大于-20℃时,液滴回缩过程中冻结;壁面温度小于-20℃时,液滴在铺展过程中冻结。壁面温度-20℃可作为液滴撞击静止冷壁面铺展与回缩冻结的临界温度。5、液滴撞击移动普通冷表面,剪切韦伯数增大时,液滴在铺展、回缩和冻结过程被拉伸,铺展液膜形状发生较大变化,液膜前端出现瞬间冻结,而液膜后端延迟冻结。表面温度降低抑制液滴横向铺展,剪切韦伯数较大时,表面温度对液滴横向铺展影响较小。6、液滴撞击移动冷表面后液滴后端液膜出现反弹脱离壁面并发生破碎现象。当剪切韦伯数大于1018时,液滴后端液膜反弹脱离壁面并发生破碎。表面温度降低,部分液体被冻结在壁面上,液体反弹破碎减少。表面温度降低、表面速度增大、液滴撞击速度增大易发生液滴部分反弹破碎现象。
【图文】：

示意图,水表面,液滴,接触角

逡逑壁面，接触角小于９０°，液滴与壁面接触时，壁面为亲水性表面。如图２．２所示。逡逑图２．２液滴接触疏水和亲水表面接触角示意图逡逑与惯性力、重力和粘性力相比，表面张力的影响在绝大多数工程应用中可忽略，逡逑但表面张力对液体射流、液滴与气泡形成等有重要影响。在喷墨打印机设计中，分析逡逑液滴形成时，，表面张力是最关键的考虑因素，也是最复杂的问题。逡逑液滴与表面接触时，有三种不同润湿状态：Ｗｅｎｚｅｌ状态、Ｃａｓｓｉｅ状态和过渡态［５６］。逡逑当表面材料为亲水性，表面粗糙度较大时，部分流体在毛细力作用下浸润固体缝隙内，逡逑液滴与壁面接触状态呈Ｗｅｎｚｅｌ态；当表面材料为疏水性时，流体只浸润固液接触部逡逑分，还有一部分流体表面与空气接触，液滴与壁面接触状态呈Ｃａｓｓｉｅ态；表面材料为逡逑中性时

示意图,液滴,流体速度,壁面

液滴撞击壁面后能量变化逡逑液滴撞击壁面后能量相互转化，复杂多变，而当液滴撞击移动壁面后，移动表滴传递部分动能，导致液滴运动过程中能量转化更为复杂。液滴在撞击过程中主逡逑动能、表面能、粘性耗散和移动表面传递动能。逡逑滴撞击壁面动能逡逑文试验过程中，通过改变产生液滴针头与壁面之间高度来调节液滴撞击壁面时逡逑。液滴在重力作用下垂直下落撞击壁面，将液滴重力势能转化为撞击动能，液逡逑撞击壁面后转化为表面能和粘性耗散等。液滴初始动能为液滴整个撞击动力学逡逑原动力。液滴撞击壁面动能可以表示为式２．１。逡逑Ｅｋｅ邋＝邋＾邋ｍｖｎ邋＝邋ｍ８ｈ邋＝邋＾Ｄ0邋ＰＳｈ逦（２－１）逡逑ｍ为液滴质量，ｖ，，为液滴接触壁面时速度，ｇ为重力加速度，为撞击高度，逡逑滴初始直径，ｐ为液滴密度。逡逑
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O35

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