李 享,劉 念,謝 劍,3,徐進良,3*
(1.華北電力大學 低品位能源多相流與傳熱北京市重點實驗室,北京 102206; 2.中國電建集團 重慶工程有限公司,重慶 400060; 3.華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,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,會產(chǎn)生小的凹坑[5],毛細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)生一個或多個液滴[8-9],形成射流.文獻[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.
一般來說,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液滴撞擊液面行為的影響,直到文獻[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[12]定義無量綱物理量Db*=Db/D表示氣泡相對大小,其中D表示試管內(nèi)徑、Db表示氣泡直徑,根據(jù)實驗數(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[13]定義無量綱物理量D/d(d為液滴直徑)表示壁面的影響程度,根據(jù)實驗數(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.
早期科研人員對液滴撞擊液面現(xiàn)象的研究始于液滴撞擊無限大液面(見圖1(a)).2012年以來,少量文獻開始報道液滴撞擊壁面限制下的有限液面 (見圖1(b))的研究結(jié)果[12-13].隨著納米技術(shù)的發(fā)展,不同浸潤性表面的制備難題逐漸被攻克,可通過多種方式制備出不同浸潤性表面[14-18].研究人員已發(fā)現(xiàn)表面浸潤性對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性壁面限制下有限液面的行為(見圖1(c)).
圖1 液滴撞擊液面的3種類型
實驗需要制備3種不同浸潤性(超親水、疏水和超疏水)內(nèi)壁的試管.制備過程如下:(1)將待處理的試管先后放入丙酮和無水乙醇,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,氮氣吹干.(3)將氣泵、壓力桶及長管噴槍按圖2組裝.(4)對要制備的表面,分別按表1配置噴涂溶液.(5)將噴涂溶液倒入壓力桶,密封.開啟氣泵,待壓力桶壓力達到0.2 MPa時,置噴槍于離試管底部10 mm處,將噴槍開至3檔(注:噴槍1檔為完全關(guān)閉,2檔為進氣端閥門開啟、進料端閥門關(guān)閉,3檔為進氣端及進料端閥門同時開啟),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,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
液滴撞擊液面現(xiàn)象的可視化實驗系統(tǒng)如圖4(a)所示,系統(tǒng)由液滴發(fā)生器、3維平移臺、高速攝影機(IDT,Motion Pro Y4)以及LED光源(貝陽,LED-600AIII)組成.d表示液滴直徑,D表示試管內(nèi)徑,h表示液滴離開針頭時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.
為了保證實驗過程中液滴落點位于試管中心,筆者巧妙使用鏡子校準落點.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,使落點位于直線ABC.基于鏡像位置A′,B′,C′與實際位置A,B,C的關(guān)系,調(diào)節(jié)試管前后位置.例如,鏡像落點處于試管中心左側(cè)的A′點,實際落點位于A點,此時向前移動試管,最終使落點位于試管正中心B點,反之亦然.
圖4 實驗系統(tǒng)(a)及液滴撞擊點校準示意圖(b)
選取d=3 mm,D=13 mm的超疏水試管,探究不同撞擊高度h對液滴撞擊液面行為的影響.當撞擊高度為50 mm時,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[13]中的液滴融合現(xiàn)象相似.高度提高至250 mm時,如圖5(b)所示,液滴撞擊產(chǎn)生半球形凹坑,凹坑排開的水使液面升高,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,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.當撞擊高度h增大至800 mm時,如圖5(d)所示,撞擊高度增大,使凹坑擴張的速度增大、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,探究壁面浸潤性對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,凹坑擴張排開的水附在試管內(nèi)壁形成一層水膜,并最終回落.疏水和超疏水情況分別見圖6(b),(c),兩者凹坑收縮過程中的形狀不同.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 壁面浸潤性對液滴撞擊液面行為的影響
為直觀顯示各變量對液滴撞擊液面結(jié)果的影響,以D/d為橫坐標,韋伯數(shù)We為縱坐標,繪制出We-D/d現(xiàn)象分區(qū)圖(見圖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
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
將液滴及試管內(nèi)的所有液體視為一個系統(tǒng),將撞擊形成的凹坑簡化成圓錐,分析液滴下落時刻至凹坑最大時刻系統(tǒng)的能量變化.初始狀態(tài)能量E1由液滴表面能Edrop、液滴重力勢能Ekd、液面表面能Epool以及液面重力勢能Ek1組成,其表達式為
E1=Edrop+Ekd+Epool+Ek1=
(1)
當液滴撞擊凹坑達到最大高度ΔH時,此時的總能量由水與空氣接觸部分的表面能E′tap、重力勢能Ek2、水與試管內(nèi)壁接觸部分的表面能E′wall組成,其表達式為
E2=E′tap+Ek2+E′wall=
(2)
其中:hwall表示液面接觸線高度的變化.
(3)
當凹坑底部低于初始狀態(tài)液面接觸線時,此時hwall為
(4)
撞擊過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
筆者采用納米噴涂方法,制備了內(nèi)壁具有超親水、疏水、超疏水浸潤性的3種試管,使用高速攝影機記錄液滴撞擊液面的過程.將凹坑簡化成圓錐,對液滴撞擊液面前后狀態(tài)進行能量分析,得出了以下結(jié)論:
(1) 當試管內(nèi)徑與液滴直徑之比D/d較大時,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.