劉紅，司超，趙傳奇，張博，蔡暢，尹洪超

（海洋能源利用與節(jié)能教育部重點實驗室，大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，遼寧大連116024）

液滴碰壁在噴霧冷卻、表面涂層、噴墨打印等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1?4]，也是內(nèi)燃機噴霧中常見的現(xiàn)象。液滴碰撞熱壁面降低其表面溫度是噴霧冷卻中主要的動態(tài)傳熱過程。為探究提高噴霧冷卻效率的方法，理解液滴動態(tài)演化過程十分重要。近年來，液滴碰壁從能量耗散與平衡、碰壁動力學(xué)過程和碰壁表面特性影響等多方面進行了研究。研究表明，液滴特性（液滴尺寸[5]、撞擊角度[6?8]、碰壁速度[9?12]、液滴潤濕性[13]等）、壁面特性（壁面溫度[14?15]、壁面結(jié)構(gòu)[16?17]、粗糙度[18?21]等）都會影響液滴碰壁演化特性。Wildeman等[22]研究了液滴碰壁動態(tài)過程中液滴參數(shù)、碰壁表面特性對液滴碰壁動態(tài)特性的影響，通過能量分析方法建立了液滴撞擊固體表面時的能量平衡及能量損耗機理。但該機理只適用于常溫壁面下單組分工質(zhì)的碰壁特性，并未對工質(zhì)自身物性變化以及壁面?zhèn)鳠釋ε霰谔匦杂绊戇M行深入研究。Qin等[23]在Wildeman 研究理論的基礎(chǔ)上實驗探究了不同濃度甘油溶液在常溫下的動態(tài)碰壁演化過程，主要研究液體黏度變化對表面液滴擴展行為的影響。結(jié)果表明，液體黏度在影響液滴擴散方面具有雙重作用。黏度與碰撞慣量存在復(fù)雜的依賴關(guān)系。Roisman 等[24]基于動量守恒的原則，研究了牛頓流體液滴擴散過程中不穩(wěn)定層流的黏性流動，得到了滿足Navier?Stokes方程的黏性流的自相似解。然后，利用理論結(jié)果中邊界層厚度的表達式，提出了最大鋪展因子βmax模型。二人均從液滴物性變化入手對碰壁現(xiàn)象進行了深入研究，未繼續(xù)從壁面?zhèn)鳠岬慕嵌瓤紤]其對液滴碰壁的影響。Kim等[25]和熊金寶等[26]研究了純水液滴在不同尺寸結(jié)構(gòu)過熱表面上的動態(tài)行為，對液滴的碰壁動態(tài)過程進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著壁面溫度的升高液滴撞擊現(xiàn)象可分為沉積、二次霧化反彈、二次霧化破碎、回彈和破碎這5個階段，并且認為沉積代表核態(tài)沸騰，回彈和破碎是膜態(tài)沸騰的水動力現(xiàn)象，其余兩個對應(yīng)于過渡沸騰。說明壁面溫度變化對液滴碰壁動態(tài)過程具有重要影響。

綜上所述，目前對液滴碰壁現(xiàn)象的研究非常廣泛，但多集中在單一組分對液滴碰壁動態(tài)特征的研究上，多組分液滴碰壁的研究主要集中在常溫碰壁動力學(xué)特性上。相比于單一組分，多組分液滴碰撞高溫壁面過程中包含復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)機理，動力學(xué)特性和傳熱傳質(zhì)學(xué)特性高度耦合，而相應(yīng)的研究還比較少。由本文作者課題組前期實驗研究及文獻檢索發(fā)現(xiàn)[27]，乙醇水混合工質(zhì)噴霧冷卻換熱系數(shù)隨著乙醇含量的增大先增加后減小，4%乙醇含量冷卻效果最佳。為深入探究乙醇水混合工質(zhì)強化冷卻機理，本文搭建了液滴碰壁動態(tài)演化及傳熱研究實驗臺，基于此實驗臺開展了乙醇添加劑在高溫壁面上對去離子水碰壁特性影響的實驗，研究不同濃度乙醇水單液滴碰撞高溫壁面的鋪展、反彈、霧化和破碎等動態(tài)演化過程，并進一步分析乙醇添加劑對去離子水基液碰壁影響的機理。

1 實驗介紹

1.1 單液滴碰壁試驗臺

圖1為液滴碰壁實驗系統(tǒng)圖，本實驗臺由加熱系統(tǒng)、供液系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集3個子系統(tǒng)組成。

圖1 液滴碰壁實驗系統(tǒng)

如圖1所示，在選擇針頭尺寸的情況下，設(shè)定參數(shù)后由軟件控制開始供液，在該過程開始時同時開啟數(shù)據(jù)圖像采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由圖像和溫度采集兩個分系統(tǒng)組成，分別獲取壁面溫度參數(shù)和液滴動態(tài)演化過程參數(shù)。為使實驗過程中保持壁溫為設(shè)定值，自行設(shè)計了加熱裝置；加熱系統(tǒng)由紫銅加熱塊、熱電偶、加熱棒、隔熱材料等部件組成。在實驗過程中為保證僅表面換熱，側(cè)面及底部均采用氣凝膠隔熱材料包裹。本實驗主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

1.2 參數(shù)定義及誤差分析

1.2.1 參數(shù)定義

（1）鋪展因子β 在液滴撞擊高溫壁面的動態(tài)過程中，存在一個液滴與壁面接觸的邊緣直徑，該直徑也是液滴潤濕壁面的直徑。如圖2所示，引入潤濕直徑（dwet）；定義量綱為1 的鋪展因子β，見式(1)。

表1 主要設(shè)備參數(shù)

式中，β為液滴潤濕直徑與初始直徑的比值。

圖2 液滴潤濕直徑和高度測量標準示意圖

（2）鋪展高度H 在液滴動態(tài)演化過程中存在著鋪展、回縮、反彈等過程，在每一時刻對應(yīng)一個液滴鋪展高度hi。如圖2所示，將加熱壁面水平面設(shè)置高度為0，定義量綱為1 的鋪展高度（H），見式(2)。

式中，H為液滴碰壁高度與初始直徑的比值。

（3）液滴韋伯數(shù)（We） We 是流體力學(xué)中的一個重要參數(shù)。它代表流體慣性力和表面張力效應(yīng)之比，We 越小代表表面張力控制越重要，按式(3)計算。

1.2.2 誤差分析

實驗過程中所采用的熱電偶為GG?K?30 型熱電偶，對于直接測量的溫度值，熱電偶的絕對不確定度為±1.1℃，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率為±0.2℃。因此，實驗過程中絕對溫度的測量不確定度為±1.3℃。實驗中熱電偶插孔位置是由機械加工而成，熱電偶距離表面1mm。由于加熱塊具有很大的導(dǎo)熱系數(shù)[380W/(m?K)]，且在實驗數(shù)據(jù)采集過程中持續(xù)加熱，則由熱電偶機械位置引起的誤差可以忽略。

圖像后處理采用Image?Pro Plus 6.0軟件采集液滴尺寸參數(shù)。該處理軟件采用像素點距離等比于液滴尺寸距離的原理獲取液滴尺寸參數(shù)，在測量過程中，由于人為操作引入測量誤差，液滴尺寸的最大不確定度被確定為±5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 乙醇水溶液單液滴碰壁演化特性

本實驗采用乙醇?水混合溶液作為液滴碰壁的研究工質(zhì)。由前期噴霧冷卻實驗可知，隨著乙醇濃度的增加，噴霧冷卻效果呈現(xiàn)先增強后減弱的非線性變化，體積分數(shù)為4%的乙醇濃度冷卻效果最佳，故本實驗選擇的乙醇添加劑濃度為2%～8%，對應(yīng)的乙醇添加劑體積百分比分別表示為E2、E4、E6、E8。各工質(zhì)物性參數(shù)如表2所示。其中表面張力由接觸角?表面張力儀（OSA?Surface Analyzer）測定，黏度由黏度測量儀（NDJ?8S）測定。由表2可知，相對于密度、黏度等物性參數(shù)變化，乙醇添加劑對表面張力的影響最為顯著，這表明添加乙醇對液滴潤濕特性具有較強的影響。壁面溫度控制采用恒定壁溫的控制方法；通過改變液滴下落高度改變液滴碰壁速度，分別設(shè)置下落高度為10～70mm。

表2 去離子水及醇水混合溶液的物理性質(zhì)（25℃）

圖3 不同濃度的乙醇?水溶液液滴碰壁動態(tài)演化過程

圖3 顯示了碰壁高度為40mm 時不同濃度的乙醇水液滴碰撞125℃高溫壁面的動態(tài)過程。由系列實驗可知，在該碰壁高度下，該壁面溫度是純水液滴的臨界轉(zhuǎn)變溫度。即當壁面溫度低于125℃時純水液滴仍然處于鋪展沉積階段，當溫度超過臨界溫度時純水液滴發(fā)生反彈現(xiàn)象。這一現(xiàn)象轉(zhuǎn)變對液滴與壁面換熱機理具有重要影響，以往的研究認為這一轉(zhuǎn)變代表液滴由核態(tài)沸騰階段轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡沸騰階段[25?26]。由圖3 可知，添加乙醇能夠有效增大這一臨界轉(zhuǎn)變溫度，使混合溶液持續(xù)處于核態(tài)沸騰階段。從圖中可以看出，去離子水液滴和乙醇水液滴的動態(tài)演化特性有較大差異。去離子水液滴發(fā)生了碰壁、鋪展、回縮、反彈及再碰壁的動態(tài)過程，在27.25ms開始發(fā)生反彈，直到80ms才開始出現(xiàn)較弱的霧化現(xiàn)象。而不同濃度的乙醇水液滴則持續(xù)處于鋪展狀態(tài)，隨后出現(xiàn)霧化現(xiàn)象。在15ms時E8開始出現(xiàn)霧化現(xiàn)象，在80ms 開始出現(xiàn)劇烈沸騰。在30ms時E6開始發(fā)生霧化現(xiàn)象。添加乙醇可以改變?nèi)ルx子水基液的碰壁特性和傳熱過程，隨著乙醇濃度的增加，液滴的表面張力減小，潤濕性能增強，液滴與表面接觸面積增大，這一特性的增強使得液滴表面換熱也得到增強，從而促進了液滴蒸發(fā)相變。

由前述定性分析可知，在去離子水基液中添加乙醇能明顯改變基液的碰壁動態(tài)特性。圖4、圖5分別顯示了乙醇?水溶液碰撞高溫壁面后鋪展因子和鋪展高度的演變過程。當壁面溫度125℃且碰壁高度40mm時，去離子水液滴的鋪展因子在4.75ms達到了最大值1.957，并且在27.25ms 反彈離開壁面。與去離子水基液相比，乙醇水溶液的碰壁動態(tài)演化特性則完全不同。由于物性參數(shù)發(fā)生改變和壁面換熱的共同影響，乙醇水溶液在該溫度下持續(xù)鋪展，未發(fā)生反彈。E2、E4、E6、E8 對應(yīng)的最大鋪展因子分別為2.025、2.218、2.256 和2.350；與基液相比最大可提高20.08%。從圖5可以看出，在液滴碰壁過程中去離子水基液發(fā)生反彈現(xiàn)象，且鋪展高度明顯高于添加了乙醇的混合溶液。例如純水液滴的最大鋪展高度可達1.42，而E2 的最大鋪展高度僅為0.734。同時鋪展高度隨著乙醇濃度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，E8 的最大鋪展高度僅為0.637。這是由于液滴鋪展高度增加使得液滴傳熱熱阻增大，相同時間內(nèi)傳遞到液滴表面的熱量減小。因此為增強換熱，應(yīng)采用乙醇添加劑增大去離子水基液液滴潤濕直徑，減小液滴鋪展高度。這一特性的改變對傳熱增強具有極大的意義。

圖4 不同濃度乙醇?水溶液的鋪展因子（β）演化過程

圖5 不同濃度乙醇?水溶液的鋪展高度（H）演化過程

2.2 不同We對液滴碰壁動態(tài)的影響

圖6 顯示了壁面溫度為125℃時去離子水與乙醇水溶液液滴在不同We 下的鋪展因子動態(tài)變化過程。從圖中可以看出，對于同一工質(zhì)，改變We 可明顯改變液滴碰壁的動態(tài)特性。對于去離子水，當We 由15 增大到26，最大鋪展因子由1.7 增大到1.86；We為30時出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，并在27ms時刻脫離壁面。說明增大We 可促進液滴的鋪展，繼續(xù)增大We，動態(tài)演化特性開始由鋪展狀態(tài)向反彈狀態(tài)過渡。

圖6 乙醇?水溶液不同We下鋪展因子（β）演化過程

與去離子水基液相比，添加乙醇能夠減小液滴表面張力，增強液滴霧化和破碎的能力。從圖中可以看出，在相同（相近）We 下，乙醇溶液能有效地提高溶液潤濕特性。We為16、25和33時，乙醇溶液最大鋪展因子可分別達到1.899、2.103 和2.318，相比于相同We條件下去離子水基液分別提高了11.64%、12.70%、17.66%。乙醇水溶液的潤濕能力比去離子水基液明顯提高。還有一個現(xiàn)象值得說明，即We為33的乙醇水溶液并未發(fā)生反彈現(xiàn)象，這是由于添加乙醇溶液使液滴表面張力減小，潤濕性能增強而更容易附著壁面。由此可見，添加乙醇溶液不僅能夠增強去離子水基液的潤濕特性，還能夠在We增大時削弱液滴的反彈特性。

文獻[32?35]各自給出最大鋪展直徑與We 的關(guān)系，在這一系列關(guān)聯(lián)式中We 是影響最大鋪展直徑的唯一變量。與以往研究不同，本研究發(fā)現(xiàn)，在相同We 條件下，加入乙醇添加劑能有效地改善液滴的壁面潤濕特性，增大潤濕直徑，削弱液滴的反彈特性，從而更有利于促進液滴與壁面的換熱。

2.3 乙醇添加劑對臨界轉(zhuǎn)變溫度（TCHF）的影響

在常溫壁面上，當液滴以低We 撞擊壁面時總是呈現(xiàn)鋪展狀態(tài)。這是由于液滴初始動能較低，液滴鋪展到最大鋪展狀態(tài)后發(fā)生回縮，在這個過程中由于黏性耗散和壁面的共同作用，使得液滴初始動能中一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)橐旱谓缑婺?，另一部分在往?fù)震蕩中發(fā)生黏性耗散，最終使得液滴無法彈離壁面。但是隨著壁面溫度的升高，液滴逐漸由鋪展現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)榉磸棳F(xiàn)象，當壁面溫度到達某一臨界溫度時，液滴反彈離開壁面。以往的研究認為這是由于隨著壁面溫度的升高，液滴從壁面獲得的能量增加，液滴獲得足夠的能量而彈離壁面。圖7為不同We、不同壁面溫度下純水和乙醇溶液液滴動態(tài)轉(zhuǎn)變圖。圖中TCHF表示液滴由鋪展轉(zhuǎn)變?yōu)榉磸棳F(xiàn)象時的臨界轉(zhuǎn)變溫度。由圖可以看出，隨著We的增大，液滴臨界轉(zhuǎn)變溫度TCHF呈現(xiàn)下降的趨勢。如對于純水液滴，當We 為20 時，其TCHF為130℃，而當We增大到50 時其TCHF減小為115℃。小的初始動能具有較大的臨界轉(zhuǎn)變溫度TCHF。

圖7 不同We、不同壁面溫度下純水和乙醇溶液液滴動態(tài)轉(zhuǎn)變

如圖7(b)所示，在純水中加入乙醇添加劑，能夠明顯地提高混合液滴在相同We 下的TCHF。如對于純水當We 為40 時，其TCHF為118℃，而在相同We 下，乙醇水液滴的TCHF為130℃。眾所周知，核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡沸騰時所對應(yīng)的最大熱流密度為臨界熱流密度。這說明加入乙醇添加劑能夠增大液滴核態(tài)沸騰對應(yīng)的溫度區(qū)域，使臨界熱流密度對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)變溫度TCHF增大。在核態(tài)沸騰區(qū)域隨著壁面溫度的升高，熱流密度呈現(xiàn)增大的趨勢，乙醇添加劑的加入使得液滴繼續(xù)處于核態(tài)沸騰階段，這對增強換熱具有十分重要的指導(dǎo)意義。與此同時，與純水液滴不同的是，在乙醇溶液過度沸騰區(qū)域隨著We的增大，當We超過某一臨界值時，液滴開始出現(xiàn)二次霧化現(xiàn)象，并且隨著We 的增大這種霧化現(xiàn)象迅速增強直至出現(xiàn)液滴破碎。而在相同壁面溫度、相同We下純水液滴并未觀察到這種霧化現(xiàn)象。這說明加入乙醇添加劑能夠明顯促進液滴霧化和破碎現(xiàn)象，并且隨著乙醇濃度的增大這種霧化現(xiàn)象增強。

表面張力是控制液滴霧化和破碎的重要參數(shù)，表面張力越小，液滴滴落時體積越小，同時液滴碰壁鋪展成的液膜越薄。乙醇添加劑能明顯減小液滴表面張力，更有利于液滴鋪展、破碎和形成二次霧化。通過增加碰壁速度單純增大去離子水的We 會促進液滴由鋪展過程向反彈過程過渡，促使液滴脫離熱壁面而降低換熱能力。而在去離子水基液中加入乙醇添加劑，能夠促使混合溶液表面張力減小，潤濕能力增大，加大與壁面的接觸面積，抑制反彈的發(fā)生，從而有效地促進液滴與壁面間的換熱。其次，由于乙醇添加劑沸點較低且揮發(fā)性較強，當乙醇與去離子水基液混合后，能有效降低乙醇水溶液的沸點，降低核態(tài)沸騰的起始溫度，促進霧化現(xiàn)象發(fā)生，促使沸騰現(xiàn)象提前發(fā)生而帶走大量熱量，有利于冷卻效率的提高。但同時由于乙醇溶液的熱導(dǎo)率、汽化潛熱和比熱容都低于去離子水，并且黏度高于去離子水基液，因此乙醇溶液自身傳熱性能對混合溶液換熱形成制約，所以并非乙醇添加濃度越高冷卻特性越好。針對某一種特定的冷卻要求工況，必須綜合考慮乙醇水溶液的傳熱特性和動力學(xué)特性，尋找最佳冷卻條件的添加劑比例。

3 結(jié)論

為研究乙醇?水溶液單液滴碰撞熱壁面的動態(tài)演化特性和傳熱特性，設(shè)計并搭建了實驗臺，對乙醇添加濃度以及碰壁速度對液滴碰撞高溫壁面動態(tài)演化特性及傳熱特性的影響進行了研究?；谝陨蠈嶒炑芯考敖Y(jié)果，可以得到以下結(jié)論。

（1）液滴撞擊壁面動態(tài)特性可分為鋪展、回縮、反彈、霧化和破碎等過程。相比于純水，乙醇添加劑能改變液滴動態(tài)演化特性，有效促進液滴霧化和破碎現(xiàn)象的發(fā)生，并且提高液滴由鋪展轉(zhuǎn)變?yōu)榉磸椀呐R界轉(zhuǎn)變溫度。

（2）乙醇添加劑能有效地增大液滴碰壁時的潤濕直徑，提高液滴的潤濕性能，增強液滴與表面換熱，并且隨著乙醇添加濃度的增大液滴最大潤濕直徑也呈現(xiàn)增大的趨勢。

（3）We不是影響最大鋪展直徑的最主要變量。在相同We 條件下，加入乙醇添加劑能有效改善液滴的壁面潤濕特性，增大潤濕直徑，削弱液滴的反彈特性，提高液滴的TCHF，從而更有利于促進液滴與壁面的換熱。

符號說明

d0—— 液滴初始直徑，mm

dwet—— 潤濕直徑，mm

Ei—— 乙醇的體積分數(shù)（i=2,4,6,8），%

H—— 量綱為1的鋪展高度

hi—— 液滴鋪展高度，mm

TCHF—— 液滴由鋪展轉(zhuǎn)變?yōu)榉磸椀呐R界轉(zhuǎn)變溫度，℃

u—— 液滴碰壁速度，m/s

We—— 韋伯數(shù)

β—— 量綱為1的潤濕直徑

λ—— 熱導(dǎo)率，W/(m·K)

μ—— 黏度，Pa·s

σ—— 流體的表面張力，mN/m

ρ—— 流體密度，kg/m3