孟 旭 王增輝 蔡志洋 張登科

(中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京 101408)

引言

在材料的電磁冶金過程中,金屬液滴在磁場和壁面溫度影響下的撞擊過程表現(xiàn)出復(fù)雜的動力學(xué)特性.Worthington[1]用水和水銀進行了撞擊固壁試驗,對不同速度、不同直徑液滴的撞擊過程進行了描述.液滴撞擊過程與液滴物性、底板結(jié)構(gòu)和溫度等有關(guān),目前針對不同流體和底板結(jié)構(gòu)開展了大量的研究[2-7],外加電場對液滴的撞擊行為也有一定的影響[8-9].Ribioo 等[10-11]利用高速攝像技術(shù)對液滴撞擊干燥固體表面進行了實驗研究,定量地描述了潤濕性和表面粗糙度對鋪展的影響.并把撞擊后的現(xiàn)象劃分為沉積、快速濺射、冠狀濺射、回縮濺射、部分回彈和完全回彈6 種情形.當(dāng)沒有飛濺發(fā)生時,液滴會在表面發(fā)生鋪展,直至達到最大半徑,而后液體回縮導(dǎo)致部分或完全反彈,甚至形成單一射流[12-13].宋云超等[14]的數(shù)值研究結(jié)果表明液滴撞擊壁面后的不同形態(tài)主要是由壓力分布導(dǎo)致的.Liu 等[15]對等離子噴涂過程中熔融液滴撞擊基底時的變形和凝固進行數(shù)值模擬研究,討論了液滴溫度、底板溫度和液滴速度等參數(shù)對鋪展和凝固的影響.Aziz 和Chandra[16]研究了熔融錫液滴在不銹鋼表面的撞擊和凝固過程,利用能量守恒模型預(yù)測液滴在碰撞過程中的最大鋪展直徑,并與實驗測量數(shù)據(jù)吻合較好.

液滴撞擊過冷壁面在很多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,凝固的液態(tài)金屬液滴用于3D 打印制造精確的結(jié)構(gòu)[17-18],在熱噴涂中,液態(tài)金屬液滴噴涂到表面形成保護層[19].因此,了解液體凝固如何改變液滴撞擊和鋪展的動力學(xué)特性是非常重要的.Aziz 和Chandra[16]研究了不同的沖擊速度和底板溫度對熔融錫液滴撞擊不銹鋼板的影響,用快速響應(yīng)熱電偶測量撞擊過程中底板溫度變化,根據(jù)溫度測量結(jié)果計算了液滴與基板之間的接觸熱阻,發(fā)現(xiàn)在實驗中,液滴與基板之間的接觸熱阻對液滴碰撞動力學(xué)的影響可以忽略不計,并且定義了凝固參數(shù)

λ為熱導(dǎo)率,ρ 為密度,c 為比熱容,下標(biāo) w 代表底板,d代表液滴.S tes=cp,s(Tm-Ts)/L,cp,s為固體的比熱容,Tm為液滴溫度,Ts為底板溫度,L 為凝固過程的潛熱.若 φ ＜1,則凝固對鋪展的影響很小.本文中,Ts=-20°C 時,φ=16,凝固對液滴鋪展的影響顯著.

在磁約束核聚變裝置中,液態(tài)金屬第一壁是一種很重要的方案,液態(tài)金屬第一壁是指液態(tài)金屬自由表面作為面向等離子體的承載極高熱負荷的關(guān)鍵部位,承受大量來自等離子體的高能量流和粒子流,發(fā)展合適的面向等離子體材料是磁約束核聚變的巨大挑戰(zhàn).第一壁的材料分為固態(tài)和液態(tài)兩種,目前的固態(tài)材料難以承受來自等離子體的高溫和粒子流.而流動的液態(tài)金屬具有自我修復(fù)能力,易于循環(huán)更新,能承受高熱流和中子輻照,有很大的優(yōu)越性和重要的應(yīng)用前景.在強磁場和等離子體電流的作用下,液態(tài)金屬會變得不穩(wěn)定而產(chǎn)生飛濺液滴[20].飛濺液滴會撞擊固體壁面.在強磁場中,流動的液態(tài)金屬中產(chǎn)生誘導(dǎo)電流,誘導(dǎo)電流產(chǎn)生的洛倫茲力又反過來影響流動.液滴和射流磁流體流動都會受到磁場的影響,均勻的磁場傾向于穩(wěn)定液滴和射流的幾何形狀,表面不穩(wěn)定性被抑制[21].Yang 等[22]和Han 等[23]對水平磁場作用下GaInSn 液滴在玻璃表面上的鋪展特性進行了實驗和數(shù)值模擬研究.發(fā)現(xiàn)了水平磁場誘導(dǎo)的橢圓擴展模型,即平行磁場方向的鋪展被抑制,垂直于磁場方向的鋪展被拉伸.Zhang 等[24]建立了預(yù)測豎直磁場作用下液態(tài)金屬液滴撞擊固壁最大鋪展的理論模型,并與數(shù)值計算結(jié)果吻合較好.當(dāng)磁場強度較大時,洛倫茲力占主導(dǎo)地位,使鋪展進入焦耳耗散區(qū),通過建立動能和焦耳耗散的平衡關(guān)系,得到 βmax與N-1/2的標(biāo)度關(guān)系,N=D0B2σe/(ρU0),表征洛倫茲力和慣性力的比值,B 為磁場強度,D0為液滴直徑,σe為電導(dǎo)率,ρ 是液體密度,U0為液滴撞擊速度.Ahmed 等[25]從理論和實驗上研究了外加磁場對鐵磁液滴撞擊固壁的最大擴展的影響.無量綱參數(shù) Bom=μ0B2D0/σ 和W e,R e 共同決定了鐵磁液滴撞擊時的鋪展動力學(xué).此外,還引入一個無量綱參數(shù)來描述外部水平磁場的影響,即洛倫茲力與黏性力的比值,μ 為液體的動力黏度.

磁場和過冷溫度對金屬液滴撞擊固壁時又呈現(xiàn)出顯著的不同,由于過冷壁面的存在導(dǎo)致液滴撞擊壁面時不僅受到磁場的影響同時也受到了過冷度的影響,金屬液滴內(nèi)部將顯現(xiàn)磁、電、力和熱等多物理場耦合效應(yīng),從而影響凝固過程,因此需要對其開展深層次的影響機理研究.在液滴撞擊的過程中,主要受黏性力、慣性力、毛細力和重力的作用.液滴鋪展動力學(xué)由 Re=ρU0D0/μ,慣性力和黏性力的比值,We=ρU02D0/σ 慣性力和毛細力的比值等無量綱參數(shù)決定.其中 ρ 是液體密度,U0為液滴撞擊速度,σ為液滴的表面張力.同時考慮磁場的影響和液滴在底板的凝固過程,本文采用高速攝像技術(shù)對鎵液滴在不同磁場強度的條件下撞擊不同溫度壁面的鋪展和回彈特性進行了實驗研究.探討無量綱特征數(shù)We,Ha 和 S tes對液滴撞擊固壁過程的影響.

1 實驗裝置

強磁場影響下金屬液滴撞擊固壁的實驗系統(tǒng)如圖1 所示,右上角所示為磁場裝置實物圖,最大磁場強度2 T,兩個平行磁極之間距離為80 mm,磁場強度可從0～ 2 T 連續(xù)調(diào)節(jié),均勻度大于95%,連接金屬液滴注射器的peek 管放置在強磁場環(huán)境中,紫銅底板位于peek 管的正下方.注射器中填充有液態(tài)金屬,外側(cè)有加熱套和溫度控制系統(tǒng),可將注射器中液態(tài)金屬的溫度控制在30 °C,注射器口連接有peek 管,液滴的大小通過peek 管的內(nèi)徑控制,實驗中采用的peek 管的內(nèi)徑為0.25 mm,產(chǎn)生的液滴大小約為2.4 mm.通過改變液滴的釋放高度,控制撞擊速度在0.45～1.8 m/s 之間.紫銅板下方放置有半導(dǎo)體制冷片,制冷片上面為冷面,下面為熱面,熱量由底部連接有恒溫水浴的水冷頭帶走,只有在底板過冷時需要開啟制冷片.通過控制水浴的溫度,來控制紫銅板的溫度,實驗中采用的溫度分別為30 °C,-20 °C 和-10 °C,紫銅板上表面連接有熱電偶,測量紫銅板的實際溫度.

圖1 實驗裝置系統(tǒng)圖Fig.1 Sketch of experimental system

整個實驗腔體由有機玻璃制成,通過放置在實驗腔內(nèi)部的加熱片來控制環(huán)境溫度,環(huán)境溫度和液滴溫度均設(shè)置為30 °C.由于氬氣稍重于空氣,將連接氬氣瓶的氬氣管伸入到實驗腔底部,空氣由上部出口排出,從而使環(huán)境中充滿氬氣防止Ga 的氧化.實驗前,先大流量沖洗裝置將空氣排出,而在實驗過程中,降低流速,最大限度減少氬氣流動對液滴撞擊的影響.實驗中用高速攝像機拍攝平行磁場方向液滴的撞擊過程,采樣頻率為每秒10 000 幀.

鎵熔點和環(huán)境溫度接近,易于操作,在下降過程中溫度變化小,實驗中采用單質(zhì)鎵作為工質(zhì).底板采用紫銅材料,具有良好的導(dǎo)熱性,使底板的溫度更均勻.鎵和紫銅的具體參數(shù)見表1.

表1 工質(zhì)鎵和底板紫銅的熱物性參數(shù)表[26]Table 1 Thermophysical parameters of working fluid gallium and the substrate copper [26]

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 無磁場下液滴撞擊

2.1.1 液滴撞擊等溫壁面

在液滴鋪展過程中,最大鋪展因子是一個重要的參數(shù),最大鋪展因子為最大鋪展直徑和液滴初始直徑的比值,即 βmax=其中,Dmax為最大鋪展直徑,D0為液滴的初始直徑.在黏性區(qū),在最大鋪展時,初始動能全部被黏性耗散[27],即

同時考慮體積守恒

h為鋪展厚度

在毛細力占主導(dǎo)的體系中,在最大鋪展時刻,初始動能全部轉(zhuǎn)化為表面能[28],即

Eggers 等[29]同時考慮黏性效應(yīng)和毛細效應(yīng),通過在 We1/2和 Re1/5之間插值得到

其中A 是常數(shù),參數(shù) P=WeRe-2/5,表征為黏性區(qū)和毛細區(qū)兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變.P 較小時為表面張力主導(dǎo)的毛細區(qū),P 較大時轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば灾鲗?dǎo)的黏性區(qū).

Clanet 等[30]對 βmax∝We1/2的標(biāo)度進行了修正,認為慣性加速度遠大于重力加速度

所以液膜厚度

得到

通過實驗證實動能未完全轉(zhuǎn)化為表面能,當(dāng)液滴達到最大鋪展時,液滴內(nèi)部尚存在轉(zhuǎn)動能.

在無磁場的情況下,液滴撞擊等溫壁面,通過改變釋放高度控制液滴的碰撞速度,最大鋪展因子隨We 的變化如圖2 所示.隨著We 的增大,最大鋪展因子增大,We 的范圍為5～ 63,同時滿足We1/4的標(biāo)度率.

圖2 最大鋪展因子隨We 的變化(等溫撞擊)Fig.2 Variation of maximum spreading factor with We number(isothermal impact)

液滴在撞擊的過程中會形成毛細波,毛細波沿著液滴表面?zhèn)鞑?液滴變形為一個金字塔結(jié)構(gòu),階梯狀的毛細波結(jié)構(gòu)隨后相互融合,液滴在最大鋪展時成餅狀結(jié)構(gòu),中心頂部有一個尖頂,塔尖的向下振蕩導(dǎo)致液滴中心形成圓柱形空腔,在隨后的液滴反沖過程中該空腔被密封,形成亞毫米大小的氣泡,隨著回縮的繼續(xù),氣泡被壓縮,壓力急劇增加,從而產(chǎn)生高速射流,稱之為空腔射流[31-32].這一過程通常發(fā)生在We 很小的范圍內(nèi).

通過改變液滴撞擊速度,液滴撞擊等溫壁面會有不同的現(xiàn)象,在小We 下,液滴經(jīng)歷鋪展、回縮后完全回彈(圖3(a)),增大We,出現(xiàn)空腔射流(圖3(b)),在更大的We 下,慣性力和毛細力使液滴繼續(xù)向上,變形成為一個被拉伸的厚液柱,頂部由于Rayleigh-Plateau 不穩(wěn)定性破碎成較大的二次液滴.在空腔射流和液滴破碎之間存在一個中間狀態(tài),即出現(xiàn)粗射流而沒有液滴分離(圖3(c)).

圖3 液滴撞擊等溫壁面Fig.3 Droplet impacting on the isothermal substrate

圖3 液滴撞擊等溫壁面(續(xù))Fig.3 Droplet impacting on the isothermal substrate (continued)

2.1.2 過冷壁面對液滴撞擊過程的影響

Gielen 等[33]采用一維傳熱模型,忽略徑向傳熱、液滴和底板之間的接觸熱阻.假設(shè)最大鋪展時,凝固層的厚度等于液滴鋪展的厚度,得到

式中,αs,α 分別代表固體和液體的熱擴散系數(shù),ε=αs/α為固體和液體的熱擴散系數(shù)之比,Pe=U0D0/α為對流速率和擴散速率之比.并且指出了適用條件為凝固比黏性邊界層的增長更快,即 αsS tes＞ν,ν 為運動黏度,在本文中,αsS tes比 ν 大一個數(shù)量級,所以式(12)適用的.

如圖4 所示,本文將不同撞擊速度下液滴撞擊過冷壁面的最大鋪展直徑和 Pe 進行線性擬合,發(fā)現(xiàn)Pe1/5最大鋪展因子滿足 的標(biāo)度率,和理論預(yù)測相符.

圖4 撞擊過冷底板時最大鋪展因子隨Pe 數(shù)的變化Fig.4 Variation of maximum spreading factor with Pe number when impacting on the sub-cooled substrate

如圖5 所示,等溫撞擊的情況下,液滴的撞擊過程分為3 個階段:I 在慣性力的作用下鋪展,液滴的動能轉(zhuǎn)化為表面能和黏性耗散,達到最大鋪展;II 回縮階段,液滴達到最大鋪展后在表面張力的作用下收縮,表面能轉(zhuǎn)化為動能;III 完全回彈,在黏性耗散較弱的情況下,液滴剩余動能將導(dǎo)致其發(fā)生完全回彈.液滴在碰撞過冷底板達到最大鋪展后,底部首先凝固形成一層薄固體層,且無類似等溫碰撞的收縮和反彈發(fā)生,進一步地(約6 ms 后),鋪展系數(shù)達到穩(wěn)定并保持不變.

圖5 不同底板溫度對液滴鋪展的影響Fig.5 Influence of different substrate temperatures on droplet spreading

圖6 是不同撞擊速度的情況下,液滴最大高度因子隨時間的變化情況,Hmax指的是液滴撞擊過程中的最大高度,H0為液滴的初始高度.更大的We 下,液滴鋪展直徑更大,液膜厚度更小,液滴的回縮也大大減小,因此只有少量液體從邊緣流回中心,導(dǎo)致高度方向上的振蕩減弱,更容易達到穩(wěn)定狀態(tài).

圖6 不同We 下液滴在撞擊過冷底板過程中的最大高度因子隨時間的變化Fig.6 Variation of maximum height factor with time during droplet impact on sub-cooled substrate at different We

如圖7 所示,在小We 情況下,液滴撞擊過冷底板,底部凝固黏附在底板上,未凝固的流體上下振蕩,增大撞擊速度,未凝固的液體會在表面張力的作用下回縮,并向上運動.在向上拉伸的過程中,有衛(wèi)星液滴脫離.此時的衛(wèi)星液滴不同與等溫撞擊時的射流,此時的衛(wèi)星液滴速度較小,We=11 時,二次液滴速度約為0.3 m/s.在大We 的情況下,液滴的鋪展直徑更大,液膜厚度更小,液滴的回縮也大大減小,因此液滴的最大高度更小.

圖7 不同We 下液滴撞擊過冷底板后上升到最大高度的形態(tài)(Ts=-20 °C)Fig.7 Different states of droplets rising to the maximum height after impacting the sub-cooled substrate under different We (Ts=-20 °C)

圖8 所示為液滴撞擊不同底板溫度時的凝固情況,We=16 時才發(fā)生小液滴的分離.撞擊速度對于液滴分離的作用表現(xiàn)在兩個方面,撞擊速度越大,凝固層上方流體的回縮速度更大,更容易發(fā)生破裂,產(chǎn)生小液滴.另一方面,速度越大,凝固層直徑越大,未凝固的流體越少,回縮的最大高度更小,因此會阻礙小液滴的產(chǎn)生.與底板溫度為零下20 °C 相比,相對較高的底板溫度產(chǎn)生小液滴分離的We 范圍也不同.底板溫度的影響也具有兩面性,一方面底板溫度越高,鋪展直徑越大,也就是凝固層直徑越大,未凝固流體越少.另一方面溫度越高,能量損失越小,回縮的速度更大.這兩個方面的共同作用導(dǎo)致了不同底板溫度下,發(fā)生小液滴分離時的We 不同.

圖8 不同We 下液滴撞擊過冷底板過程Fig.8 Droplet impacting on sub-cooled substrate under different We

2.2 水平磁場對液滴撞擊的影響

2.2.1 水平磁場對液滴撞擊等溫壁面的影響

當(dāng)施加外加磁場時,液滴撞擊等溫壁面的實驗結(jié)果如圖9 所示,從圖中可以看出,當(dāng)We=38 時,等溫撞擊和撞擊過冷底板時,液滴最大鋪展因子隨磁場強度的變化,磁場強度范圍為0～ 1.6 T.可見隨磁場強度的增加,平行磁場方向的最大鋪展因子逐漸減小,水平磁場抑制了平行磁場方向的鋪展,磁場越大,抑制作用越明顯.在 Ha 較小的情況下,磁場的影響不明顯,而在磁場較大的情況下,最大鋪展因子隨磁場的下降較大.根據(jù)Han 等[23]的模擬結(jié)果,液滴在撞擊底板的情況下,垂直磁場方向的兩端有豎直方向的電流,導(dǎo)致產(chǎn)生了沿垂直磁場方向向外的洛倫茲力,垂直磁場方向被拉伸,平行磁場方向則被壓縮.

圖9 不同底板溫度下最大鋪展因子隨 Ha 的變化Fig.9 Maximum spread factors varied with Ha under different substrate temperatures

為了分析強磁場對金屬液滴回彈的平行于磁場方向的拉伸情況,圖10 給出了We=53.7 時,沒有外加磁場和1.6 T 強磁場下的液滴撞擊過程中鋪展因子隨時間的變化,實驗中均可觀察到先鋪展后回縮最終完全回彈的過程,實驗研究發(fā)現(xiàn)在強磁場影響下,回縮過程中存在鋪展因子突然變大的情況,也就是說在回縮過程中,磁場對于平行磁場方向的液滴具有拉伸作用,實際上這種拉伸作用在強磁場和大速度的條件顯著存在.

圖10 We=53.7 時磁場對液滴鋪展過程的影響Fig.10 Influence of magnetic field on droplet spreading process when We=53.7

如圖11 所示,當(dāng)對全周期液滴回彈鋪展過程進行分析發(fā)現(xiàn),即液滴發(fā)生鋪展回彈,再撞擊再回彈的全過程,隨著時間推移,一次撞擊速度較大,二次撞擊和三次撞擊速度逐漸減小,最大鋪展因子也逐漸減小.磁場對于一次撞擊回彈的拉伸相對于二次撞擊回彈作用更強,三次撞擊回彈后都沒有出現(xiàn)拉伸現(xiàn)象.這是由于更大的撞擊和回彈速度導(dǎo)致更大的誘導(dǎo)電流,從而產(chǎn)生更強的洛倫茲力.

圖11 We=53.7,Ha=179.3 時液滴鋪展因子隨時間變化Fig.11 The droplet spreading factor changes with time when We=53.7 and Ha=179.3

當(dāng)We=43.4 時,回彈中伴有單個液滴從頂端分離的情形,如圖12 和圖13 所示,隨著磁場強度的增大,分離液滴的直徑逐漸增大,液滴的上升高度隨磁場強度逐漸減小,也就是說液滴脫離時的速度隨磁場強度的增大而減小.磁場強度增大到1.4 T 和1.6 T時,將不再有液滴分離發(fā)生.在We=53.7 的情況下,會出現(xiàn)多個液滴分離,在B=0 T 時,分離出3 個液滴,第一個液滴直徑最小,速度最大.圖12 和圖13中所示的為第一個液滴的半徑和速度大小.B=0.4 T 時,只有一個液滴分離,速度也降低到1.23 m/s,B=1.4 T 時降低為0.2 m/s,以至于底部液滴能追趕上分離液滴并重新融合.B=1.6 T 時,則沒有液滴分離發(fā)生.

圖12 We=43.4 和53.7 時二次液滴的速度隨磁場強度的變化Fig.12 Variation of secondary droplet velocity with magnetic field intensity at We=43.4 and 53.7

圖13 We=43.4 和53.7 時二次液滴的半徑隨磁場強度的變化Fig.13 variation of secondary droplet radius with magnetic field intensity at We=43.4 and 53.7

磁場對于等溫撞擊的影響體現(xiàn)在鋪展、回彈和分離的撞擊全過程.從開始撞擊到完全展開的過程中,既有豎直向下的速度,也有水平方向的擴展速度,擴展速度的大小和撞擊速度成正比.豎直方向的速度會導(dǎo)致受到水平方向的洛倫茲力,在平行磁場方向被壓縮,垂直磁場方向被拉伸,表現(xiàn)為磁場對液滴鋪展影響的各向異性.而在完全鋪展到開始回彈的階段,電流主要集中在水平面內(nèi),受到豎直方向的洛倫茲力.會使垂直磁場方向的兩側(cè)升高.在回彈過程中,速度方向豎直向上,受力與撞擊過程正好相反,體現(xiàn)為平行磁場方向被拉伸.磁場能夠強烈抑制表面不穩(wěn)定性,抑制液滴的分離.相同的磁場強度情況下,磁場影響的強弱主要與速度有關(guān),速度越大,產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大,從而產(chǎn)生的洛倫茲力越大,磁場的作用更強.

2.2.2 水平磁場對液滴撞擊過冷壁面的影響

當(dāng)?shù)装鍨檫^冷壁面時,磁場影響下的金屬液滴撞擊過冷壁面的液柱高度隨時間的變化如圖14 所示,當(dāng)t=0 時,Hmax/H0為1,然后在鋪展到最大直徑的過程中急劇下降,在回縮的過程中增大,隨后在高度方向上振蕩,振蕩幅度隨時間逐漸減小,最終達到穩(wěn)定.在Ha=179.3 的情況下,液滴的振蕩幅值大大降低,并且更快達到穩(wěn)定狀態(tài),說明磁場對上下振蕩的液滴有很強的抑制作用.

圖14 有無磁場情況下液滴在撞擊過冷壁面過程中的最大高度因子隨時間的變化Fig.14 Variation of maximum height factor with time during droplet impact on sub-cooled substrate with and without magnetic field

圖15 展示的是We=11 時,不同磁場強度下的液滴撞擊過冷壁面的現(xiàn)象,與無磁場情況相比,水平磁場抑制中心射流,磁場越強,抑制作用越明顯,8 ms 時,無磁場下,中心射流斷裂生成二次液滴,小磁場情況下,中心射流頸部變細但未破碎,大磁場情況下,液滴高度明顯降低.該現(xiàn)象說明水平磁場對于液滴撞擊底板的凝固過程同樣有顯著影響.研究表明磁場和過冷溫度對金屬液滴撞擊固壁會產(chǎn)生很大的影響,過冷壁面的影響體現(xiàn)在對金屬液滴的加速凝固作用,磁場的影響則體現(xiàn)在抑制了平行于磁場方向的運動,這兩種影響主導(dǎo)了金屬液滴撞擊過冷壁面的凝固過程.

圖15 We=11 不同磁場強度下液滴撞擊過冷底板過程(Ts=-20 °C)Fig.15 Droplet impacting on sub-cooled substrate under different magnetic field intensities when We=11 (Ts=-20 °C)

由于液滴撞擊過冷壁面時,液滴底部發(fā)生凝固進而黏附在底板上,沒有回彈現(xiàn)象.磁場對于從開始撞擊到完全展開的影響和等溫撞擊時一致,平行磁場方向受到抑制.磁場主要通過抑制上方未凝固流體的向上拉伸,從而抑制液滴的分離.從圖15 中可以看出,8 ms 時上方未凝固流體的上升高度隨著磁場的增大而減小,平行磁場方向直徑變大,不容易發(fā)生液滴脫離.

3 結(jié)論

本文基于高速攝像技術(shù)及圖像后處理分析,系統(tǒng)地研究了水平磁場作用下Ga 液滴撞擊等溫和過冷壁面的鋪展和回彈特性,獲得了液滴再撞擊和回彈過程中的定量數(shù)據(jù).通過分析得到以下結(jié)論.

(1)當(dāng) S tes=0 和0.24 時,無磁場情況下,最大鋪展因子隨We 和 Pe 的增大而增大,并與理論預(yù)測一致.磁場對于平行其方向的鋪展都有抑制作用,相同 We 和H a 的情況下,由于凝固對鋪展的抑制作用,S tes=0.24 時的最大鋪展因子相對 S tes=0 時較小.

(2)當(dāng) S tes=0 時,大We 情況下,由于Rayleigh-Plateau 不穩(wěn)定性出現(xiàn)射流頂端破碎,產(chǎn)生二次液滴.水平磁場抑制二次液滴的產(chǎn)生,起到致穩(wěn)作用.磁場越大,產(chǎn)生的二次液滴的速度越小,直徑越大.在回彈過程中,磁場對液滴在平行磁場方向有拉伸作用,撞擊速度越大,磁場越強,拉伸作用越明顯.

(3)當(dāng) S tes=0.24 時,在中We 時,有二次液滴的脫離,但不同與射流破碎,產(chǎn)生的二次液滴的速度很小.磁場對于液滴在高度方向的振蕩具有強烈的抑制作用,在無磁場的情況下,大We 時,液滴在高度方向的振蕩也會大大減弱.