摘要：对液滴撞击固体表面的过程进行实验研究，考察液滴的物性和操作条件对撞击过程的影响，结果表明：随着液滴黏度的增加、或表面张力系数的增大、或撞击速度的减小，液滴的铺展直径、铺展速度和铺展面积均减小；液滴的能量在黏性中的耗散主要发生在撞击的初始阶段，随着液滴黏度的增加、或表面张力系数的减小、或撞击速度的增大，黏性耗散的速率均增加。本文得到的关于液滴雷诺数和韦伯数的关联式可用于预测液滴的最大铺展直径和最大铺展面积。

液滴撞击固体表面的现象在过程工业中较为常见，如横管降膜蒸发、喷淋吸收和涡轮机的冷却等。在以传质为主要目的的过程中，液滴撞击固体表面过程中的表面积变化对传质性能有很大的影响。对高速分散反应器的气体吸收性能进行的研究中，建立了用于预测反应器传质特性的传质表面积模型；在该模型中，液滴与反应器固体表面的碰撞是一个增大传质面积的重要过程。研究物性和操作条件对液滴撞击固体表面过程中表面积变化的影响，进而深入理解此过程，可为此类设备的设计提供指导。

关于液滴撞击固体表面过程研究的方法主要有实验、理论分析和数值模拟。通过定量实验研究了液滴撞击静止的固体表面时铺展直径随时间变化的影响因素，如液滴的撞击速度、液体的流变性质和表面张力、固体表面的粗糙度等，发现撞击速度的增加、黏度的减小、表面张力的减小、表面粗糙度的减小均会增大最大铺展直径，并提出了一系列最大铺展直径的经验关联式。而当固体表面处于运动状态时，在液滴撞击过程中则通常可以观察到不对称的铺展甚至飞溅。通过实验研究可以得到液滴撞击后的不同形态、液滴物性和撞击速度对铺展直径的影响，以及可预测液滴最大铺展直径的经验关联式，有助于加深对液滴撞击过程的理解。

针对液滴撞击固体表面过程的理论分析以能量法最为常见，其主要原理是基于液滴撞击过程中表面能、动能、黏性耗散三者的总能量守恒。利用此方法可得到液滴的无量纲最大铺展直径关于液滴的韦伯数、雷诺数和静态接触角的表达式，但因针对液滴内黏性耗散的假设不同，所得到的表达式有所差异。数值模拟是研究液滴撞击固体表面现象的重要手段，通过数值模拟除了可以得到液滴铺展直径、铺展高度和铺展速度等宏观信息外，还能了解液滴内部的流场信息，有助于更为深入地理解液滴撞击过程中铺展的机理。

目前文献中关于各类因素对液滴铺展线速度和铺展面积的影响，以及撞击过程中液滴的表面能、动能和黏性耗散的变化的研究较少，因此本文采用实验的方法研究了液滴的物性和操作条件对其撞击固体表面过程中的铺展直径、铺展速度和铺展面积的影响，并结合能量法对表面能、动能和黏性耗散在撞击过程中的变化进行分析，以揭示液滴撞击固体表面过程的特点。

1实验装置和方法

实验系统示意图如图1所示。通过注射泵驱动液体在注射器的针尖处产生液滴，液滴直径和速度可分别通过针头内径和针头高度进行控制和调节。电脑与高速相机连接，并控制其以486帧/s的频率记录液滴撞击不锈钢板表面的过程(分辨率320pixel×256pixel)，实验中图像的物理分辨率为0.024mm/pixel。传送带的平动速度通过调节变频器改变电机的转速实现。

1—电脑；2—电机；3—变频器；4—传送带；5—光源；6—散光板；7—注射器；8—不锈钢板；9—高速相机；10—注射泵。

图1实验系统示意图

表1物质的物性参数

表2操作条件参数

图2是一个质量分数20%的甘油水溶液液滴撞击静止固体表面的典型过程。液滴(D0=2.85mm)以0.97m/s的速度撞击在不锈钢表面上(t=0ms)，经过铺展达到最大铺展面积(t=2.06ms)，随后经历回缩、再铺展以及震荡的过程(t=4.12~18.54ms)，直至达到平衡。

图2甘油质量分数20%的液滴撞击静止的不锈钢表面(UD=0.97m/s)

液滴的宏观信息如体积、铺展直径、铺展速度等可以通过图像识别获取。本文使用Matlab对高速相机记录的液滴照片进行去噪、去除杂点、中值滤波、二值化等步骤的处理，再从所得到的二值化图片中获取上述参数。其中，液滴的铺展速度可由液滴铺展线在相邻两张照片的坐标差与拍摄频率相乘得到。由于液滴在撞击过程中的形态始终保持轴对称，可以使用旋转积分的方法求得液滴的体积。

图3不同物性和直径的液滴在撞击过程中的体积

图3所示为使用图像处理的方法得到的4个不同物性和直径的液滴在撞击过程中体积随时间的变化。从图中可以看到，直径为2.65mm的水液滴、直径为3.22mm的水液滴、直径为2.85mm的纯甘油液滴、直径为2.31mm的乙醇液滴计算所得体积与初始体积的最大误差分别为7.7%、14%、2.2%、12%，说明本文采用的图像处理和分析方法可对液滴撞击固体表面的过程进行较为准确的定量分析。