液滴在不同亲疏水表面的撞击行为研究

        液滴撞击现象在工业中有着广泛的应用，诸如喷淋冷却、农业上农药喷洒。撞击液滴的尺寸、角度、速度、温度、物性，固体表面的粗糙度、润湿性、温度以及周围环境的空气压力等对撞击结果有影响。清华大学薄涵亮教授组设计一种实验装置，用高速摄像仪对液滴在低速下撞击不同亲疏水性固体表面的过程进行观测，对液滴的特性参数（液滴铺展直径、高度和铺展速度等）进行更为细致的研究。

一、实验装置

仪器：KRÜSS DSA30B接触角测量仪；

撞击速度：通过调整进样器高度来控制；

固体壁面：光滑铝片、不锈钢、石英玻璃

图1. 实验装置示意图

二、实验结果与分析

        光滑铝片、不锈钢、石英玻璃壁面的静态接触角分别为83°、90°、28°，可看出石英玻璃为亲水壁面，而光滑铝片、不锈钢为较疏水壁面且疏水性能相差不大。

        图２为液滴在0.94m/s速度下撞击不同壁面形态图，每３帧提取出１张图片，时间间隔0.75ms。

图2. 液滴撞击不同壁面形态图

2.1材料壁面和撞击速度的影响

        如图3，不同撞击速度（0.94m/s，1.37m/s，1.64m/s），铝片，不锈钢壁面上液滴直径均在一定帧数达到Zda值，后逐渐回缩至平衡。石英玻璃壁面液滴直径达到Zda后，基本不回缩或者回缩程度很小。

        疏水性能相差不大的铝片、不锈钢壁面，液滴撞击速度对达到Zda铺展直径的时间无影响；但石英玻璃壁面亲水性能较好，不同的液滴撞击速度会影响达到Zda铺展直径的时间。

图3.液滴撞击壁面铺展直径D变化曲线

2.2  液滴高度h及震荡周期的变化

        以图4b为例，在撞击前期，液滴高度均呈线性急剧降低后短暂缓慢回升的过程，再回落到Zdi点，此后液滴表面能转化为动能和耗散能，冲高回落反复震荡，直至平衡，震荡过程中液滴均未反弹离开壁面。

图4. 液滴撞击壁面滴液高度h变化曲线

        震荡周期数、液滴回升高度与材料壁面的亲疏水性有较大关系：同时液滴撞击壁面时的动能，壁面固－液接触区域因剪切应力而产生的黏性耗散，这两方面因素的平衡决定了撞击速度对液滴回缩的影响。

三、结果与讨论

        不同撞击速度、不同亲疏水性固体材料壁面对液滴铺展直径Ｄ、液滴高度h等参数均有重要影响，可用KRÜSS高精度接触角系列设备进行深入和极ng确的研究，为实际工程应用提供理论基础。

参考文献：

薄涵亮. 不同亲疏水表面液滴动力学行为实验研究[J]. 原子能科学与技术, 2015.