液滴碰撞超声振动曲面的实验研究

发布时间：2021-09-04 00:13

　　通过实验研究了超声振动曲面上液滴碰撞的动力学行为。对边缘飞溅、表面飞溅以及毛细波、空化和子液滴回弹等复杂物理现象的产生机理和条件进行了分析,得到了超声振动曲面上发生边缘飞溅的临界曲线,并发现由于气动力的作用,超声振动曲面上发生边缘飞溅的临界超声振幅要小于平面情况。利用图像处理技术得到了不同条件下超声振动曲面对碰撞液滴的驱离效率以及飞溅液滴的尺寸分布。实验结果表明:碰撞液滴的驱离效率随振动曲面超声振幅的增大而增大,且呈线性增长;在高速碰撞中,碰撞速度几乎不影响超声振动曲面的液滴驱离效率;随着超声振幅的增加,飞溅液滴的平均尺寸增加。通过常温液滴与过冷液滴的碰撞实验对比,发现温度对超声振动曲面上液滴的动态碰撞过程影响较小。在过冷条件下,液滴驱离效率会略低于常温条件下,但仍能够持续有效地将液滴驱离表面,从而抑制冰层的增厚,说明超声振动曲面具有防水防冰的应用潜能。 

【文章来源】：实验流体力学. 2020,34(04)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

不同条件下的实验装置示意图

液滴碰撞超声振动曲面时会发生2种飞溅模式：表面飞溅和边缘飞溅。如前文所述，毛细波假设和空化假设是2种超声雾化的产生机理。目前，大量的研究都证实了表面毛细波的Faraday不稳定性是液滴表面产生飞溅的主要影响因素[11-12]。然而，关于空化作用对液滴表面飞溅的影响效应尚未明确，只有部分学者通过飞溅的卫星液滴的速度或者声致发光现象间接证明了溃灭空泡的存在，并无直接证据证明空化气泡的存在。在本研究中，除了表面的毛细波之外，在一定条件下，通过高速摄影图片还观察到了液滴内部大量空化气泡的出现，如图2(b）所示，这也直接证明了液滴碰撞超声振动表面过程中，空化作用是影响液滴表面飞溅的重要因素之一。在超声振动振幅较小的情况下，不管是在液滴铺展阶段还是稳定阶段，液滴表面都会形成均匀的毛细波并在波峰处发生射流破碎，从而形成表面飞溅且飞溅的卫星液滴尺寸较为均匀，如图3(a）所示。当超声振动振幅较大时，在液滴内部会产生大量的空化气泡并迅速溃灭，从而导致表面毛细波非均匀分布；另外，由于气泡溃灭释放大量能量，在毛细波波峰射流破碎的同时伴随一些飞溅速度极高的小液滴，如图3(b）所示。

在超声振动振幅较小的情况下，不管是在液滴铺展阶段还是稳定阶段，液滴表面都会形成均匀的毛细波并在波峰处发生射流破碎，从而形成表面飞溅且飞溅的卫星液滴尺寸较为均匀，如图3(a）所示。当超声振动振幅较大时，在液滴内部会产生大量的空化气泡并迅速溃灭，从而导致表面毛细波非均匀分布；另外，由于气泡溃灭释放大量能量，在毛细波波峰射流破碎的同时伴随一些飞溅速度极高的小液滴，如图3(b）所示。因此，本文验证了毛细波假设和空化假设同时作用于液滴在碰撞超声振动表面过程中的表面飞溅。毛细波波峰的射流破碎是形成次级卫星液滴的主要原因，而空化现象的出现会导致毛细波的非均匀分布并且大大加快液滴飞溅的速度[27]。


本文编号：3382154