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可視化實(shí)驗(yàn)方法研究電場作用下液滴撞擊表面的動態(tài)行為(四)

來源:力學(xué)與實(shí)踐 瀏覽 330 次 發(fā)布時(shí)間:2025-02-17

2.2韋伯?dāng)?shù)對液滴撞擊親水表面的影響


液滴撞擊韋伯?dāng)?shù)可以顯著影響液滴的動力學(xué)行為,尤其是鋪展與拉伸過程,且在外加電場力的作用下必會進(jìn)一步加深對液滴撞擊行為的影響。本文研究對象為低韋伯?dāng)?shù),在此范圍內(nèi),液滴的動態(tài)行為涵蓋鋪展、回縮、拉伸及振蕩。通過對不同韋伯?dāng)?shù)下液滴撞擊行為的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明:在相同的電場強(qiáng)度下,隨著液滴韋伯?dāng)?shù)的增大,液滴產(chǎn)生的模態(tài)呈現(xiàn)出顯著差異,如圖5所示。具體而言,當(dāng)電場強(qiáng)度維持在較高狀況且保持一致時(shí),撞擊We的增加導(dǎo)致液滴的拉伸高度明顯減小,同時(shí)液滴模態(tài)從第三種模態(tài)逐步過渡到第二種模態(tài),并最終轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝环N模態(tài)。

圖5不同韋伯?dāng)?shù)下的液滴模態(tài)圖


圖6描述了不同韋伯?dāng)?shù)下液滴最大無量綱拉伸系數(shù)βmax的對比趨勢。最大拉伸系數(shù)值是在式(5)的基礎(chǔ)上求?。害耺ax=Hmax/D0,其中Hmax為液滴在撞擊過程中達(dá)到的最大拉伸高度。可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定為低韋伯?dāng)?shù)和高電毛細(xì)數(shù)時(shí),液滴的最大拉伸系數(shù)明顯增大,甚至在此條件下部分液滴產(chǎn)生了射流模態(tài),所形成的液絲長度超出了上極板的界限。除此之外,前三組韋伯?dāng)?shù)下的液滴撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,得到結(jié)論:韋伯?dāng)?shù)的增大,直接導(dǎo)致液滴達(dá)到噴射狀態(tài)所需的電毛細(xì)數(shù)相對應(yīng)增大。

圖6不同韋伯?dāng)?shù)下液滴最大拉伸系數(shù)


為了更加清晰地表明液滴撞擊的We對三種模態(tài)的影響,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)了撞擊We與電毛細(xì)力Cae的關(guān)系,如圖7所示。函數(shù)結(jié)果表明,第一模態(tài)可以發(fā)生在所有韋伯?dāng)?shù)內(nèi),并且隨著韋伯?dāng)?shù)的增加,第一模態(tài)的閾值電場也在不斷增加。第二模態(tài)的閾值電場范圍是三種模態(tài)中最小的,韋伯?dāng)?shù)越大時(shí)需要更強(qiáng)的電場才能產(chǎn)生第二模態(tài)。第三模態(tài)的閾值電場隨著韋伯?dāng)?shù)的增加也在不斷增大,只是液滴出現(xiàn)第三模態(tài)的電場范圍在減小。這可能是由于韋伯?dāng)?shù)的變化導(dǎo)致拉伸液滴形態(tài)的變化,從而影響了靜電力的強(qiáng)度?;谏鲜隹紤],為了深入剖析三種模態(tài)閾值電場變化的原因,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對無外加電場條件下液滴拉伸過程中韋伯?dāng)?shù)We與平均頂點(diǎn)曲率K(如式7所示)的關(guān)系進(jìn)行了討論,如圖8所示。從關(guān)系圖中可以看出,當(dāng)液滴處于回縮階段并達(dá)到最大拉伸高度時(shí),韋伯?dāng)?shù)的增加會伴隨著液滴頂部曲率半徑的增大,而曲率半徑的增大將會導(dǎo)致靜電力的相對減弱。

圖7韋伯?dāng)?shù)與電毛細(xì)數(shù)的關(guān)系圖

圖8無電場時(shí)平均頂點(diǎn)曲率隨韋伯?dāng)?shù)的變化


K=1/rm(14)


式中,rm為液滴達(dá)到最大拉伸高度時(shí)頂端的曲率半徑。


2.3表面潤濕性的影響


液滴撞擊不同潤濕性壁面后會產(chǎn)生不同的動態(tài)行為,通常采用接觸角反映壁面潤濕性。接觸角越小,表面的潤濕性越好,越親水;接觸角越大,表面的潤濕性越差,越疏水。為了觀察潤濕性對電場作用下液滴撞擊表面的影響,除了研究前文的親水表面,還研究了疏水和超疏水表面。圖9為去離子水液滴在電毛細(xì)數(shù)Cae=0.068(E=6.5 kV/cm)下分別撞擊親水、疏水以及超疏水表面的過程圖。特別注意的是,在本實(shí)驗(yàn)中,液滴撞擊疏水表面并未出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。通過比較液滴撞擊三個不同接觸角壁面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)液滴處于第三模態(tài)即噴射狀態(tài)時(shí),如圖9(a)16 ms所示,液滴在親水表面上底部呈現(xiàn)錐形并且噴射液柱細(xì)長,然而,噴射前液滴在疏水表面上呈現(xiàn)圓頭子彈形(圖9b-16ms),噴射后殘留在表面上的液滴量明顯比親水表面減少,如圖9(b)中33 ms所示。液滴在超疏水表面上噴射模態(tài)與前兩者更不同,如圖9(c)所示。液滴在撞擊后頂部呈噴射狀態(tài),這是由于靜電力所致,同時(shí)液滴在不斷地脫離表面,這是由于超疏水表面的特殊結(jié)構(gòu)使得液滴無法在表面附著,與無電場時(shí)液滴撞擊超疏水表面不同的是,在液滴反彈過程中底部會產(chǎn)生絲狀液柱,如圖9(c)-16 ms所示。

圖9液滴撞擊親水、疏水以及超疏水表面的過程圖


不論接觸角大小如何改變,液滴在場強(qiáng)較大情況下與下極板接觸后,電荷分布到液滴表面,使得液滴頂部出現(xiàn)拉伸及噴射現(xiàn)象。圖10為液滴的拉伸系數(shù)與接觸角的關(guān)系。從圖中可以看出,液滴撞擊三種不同表面后,其運(yùn)動形態(tài)具有相似性,主液滴(與表面接觸的液滴部分)的拉伸系數(shù)均隨著無量綱時(shí)間不斷增加,當(dāng)噴射達(dá)到一定時(shí)間后會有部分液滴分離,主液滴拉伸系數(shù)驟降,隨后振蕩最終趨于穩(wěn)定。

圖10液滴拉伸系數(shù)與不同接觸角的關(guān)系(We=17.8、Cae=0.068)


相比于親水表面,疏水和超疏水表面除了噴射分離出連續(xù)的細(xì)小液滴外,還有較大的單液滴也從主液滴分離。特殊的是,液滴在無電場時(shí)撞擊超疏水表面通常會出現(xiàn)完全反彈的現(xiàn)象,使得表面無液滴殘留。而在圖10中,液滴在電毛細(xì)數(shù)Cae=0.068下撞擊超疏水表面后會出現(xiàn)小液滴殘留在壁面上,使得液滴未完全反彈,這是由于前文提到的液滴底部絲狀液柱在斷裂后會產(chǎn)生小液滴并且受電場力的作用吸附在表面上。比較三組實(shí)驗(yàn)液滴拉伸系數(shù)在驟降之前的趨勢,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)韋伯?dāng)?shù)和電場強(qiáng)度相同時(shí),液滴撞擊超疏水表面最早達(dá)到噴射狀態(tài),而疏水表面最晚。超疏水表面以其極低的粘附力和卓越的液滴回縮能力著稱,使得液滴在撞擊后其頂部不僅迅速形成高曲率形態(tài),還因?yàn)檫@種形態(tài)更有利于電場力的集中,從而達(dá)到噴射過程較快。相比之下,疏水表面的粘附力雖弱于親水表面,但其液滴撞擊后形成的頂部曲率顯著小于親水表面,這一現(xiàn)象導(dǎo)致液滴頂部變尖直至噴射所需要的時(shí)間顯著延長。


3.結(jié)論


本文通過搭建液滴撞擊表面的電流體力學(xué)平臺對電場作用下液滴撞擊壁面的動態(tài)行為進(jìn)行了可視化研究,實(shí)驗(yàn)比較了不同電場強(qiáng)度下液滴撞擊表面的動態(tài)過程和模態(tài),并對不同模態(tài)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,考察了韋伯?dāng)?shù)和壁面潤濕性對液滴撞擊表面的影響,并用鋪展因子、拉伸系數(shù)等無量綱數(shù)進(jìn)行了表征。主要結(jié)論如下:


(1)垂直電場下液滴撞擊親水表面時(shí),電場強(qiáng)度的變化對液滴鋪展行為影響不大,不同電場條件下液滴的最大鋪展因子均保持相近水平,表明電場的有無及其強(qiáng)度大小在鋪展期間并非主導(dǎo)因素。但是電場的引入對于液滴的拉伸演變過程產(chǎn)生了明顯的影響。隨著電場強(qiáng)度的增強(qiáng),液滴撞擊后的拉伸階段展現(xiàn)了三種不同的模態(tài)特征,并且這些模態(tài)間的轉(zhuǎn)換伴隨著液滴最大拉伸系數(shù)的顯著增加,尤其是在第三模態(tài)下,液滴呈現(xiàn)出噴射現(xiàn)象。此現(xiàn)象歸因于電場的加入使液滴的頂部受到的向上靜電力顯著增加,當(dāng)此力足以克服表面張力和重力的約束時(shí),便會發(fā)生液滴模態(tài)的轉(zhuǎn)變。


(2)通過改變液滴的撞擊速度來改變撞擊韋伯?dāng)?shù)。隨著韋伯?dāng)?shù)的增大,在相同的電場強(qiáng)度下液滴產(chǎn)生的模態(tài)不同,并且液滴拉伸高度顯著下降,此現(xiàn)象可歸因于由于韋伯?dāng)?shù)增大時(shí),液滴頂部形成的曲率半徑增大,進(jìn)而削弱了液滴所受的靜電力作用,導(dǎo)致拉伸效應(yīng)減弱。


(3)在電場作用下,液滴撞擊不同潤濕性的壁面所產(chǎn)生的動態(tài)行為呈現(xiàn)出顯著差異。隨著接觸角的增大,液滴在噴射后所殘留的液滴量逐漸減少,同時(shí)液滴達(dá)到噴射所需的時(shí)間與壁面的潤濕性緊密相關(guān)。


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