1.实验方法

1.1可视化实验系统

实验系统示意图如图1所示，该系统主要包括：由微流注射泵、注射器和不锈钢针管组成的液滴生成系统；由高压直流电源(JMDC-P30-1mA)和鳄鱼夹线组成的静电电压系统；由高速相机(Fastcam Mini AX 100-C)和LED灯组成的可视化系统以及数据采集系统。

图1实验装置示意图

在本实验中，将两块直径为10cm的圆形铝板沿着垂直方向放置，其间隔固定为20mm。在上极板中心位置开一个直径为5mm的孔口，以便液滴从上极板上方滴落，穿过上极板与下极板发生撞击行为。为了实现垂直电场的形成，将高压直流电源与下极板相连，上极板作接地处理，这样的结构产生了一个垂直电场和一个带电的基底。此外，不锈钢针管（G24，外径0.55m，内径0.27mm）通过毛细管连接到微流注射泵上，使液滴以恒定的撞击速度滴落到下极板。为了消除静电对实验的影响，将针管作接地处理，确保液滴在进入电场之前不携带任何感应电荷。

实验中，通过将液滴释放高度从25 mm调整到65 mm来改变液滴的撞击速度，根据撞击前两个连续图像的移动垂直距离除以图像一帧时间(0.25 ms)得到撞击初速度V0，其范围在0.7～1.129 m/s之间。另外通过调节高压电源的输出电压U(0～30 kv)来控制电场强度E(

)。利用高速相机以每秒4000帧的速度记录液滴在电场作用下的整个撞击过程，从液滴的铺展、回缩运动开始，随后受静电力的影响下出现拉伸或弹射行为，直至振荡结束，采用不产生任何热效应的冷光源照射液滴撞击过程。整个实验过程均在室温环境下进行，并将所有测量设备均进行接地处理防止静电积累。此外，为了排除实验的偶然性，在每一个撞击条件下都进行了至少三次的重复实验，从而减小实验测量数据误差。

1.2实验参数分析

本实验选取去离子水作为研究对象，鉴于其导电率极低，因此可以认为去离子水在进入电场且未撞击壁面之前，几乎不受电场力的影响。实验中，液滴在下落过程中受到重力的影响不再是一个标准的球体，可近似为椭圆体，因此通过下式修正得到液滴初始直径D0的近似值

式中，Dv为液滴竖直方向上的直径，Dh为液滴水平方向上的直径。实验中液滴的D0为2.65±0.05 mm，由多次不同电场强度条件下的实验图像测量并计算得到。在研究电场强度和韦伯数的影响时，采用亲水表面，静态接触角θ约为73±1°。静态接触角定义为固液界面和气液界面之间的夹角。

本文主要研究电场强度、低韦伯数和不同润湿性对液滴撞击固体表面上动力学行为的影响，采用无量纲韦伯数We、电毛细力Cae来描述液滴撞击过程

(2)(3)

式(2)中ρ为液滴密度，γ为液滴表面张力，表征惯性力与表面张力之比；式(3)中ε2为环境介电常数，r为液滴半径，表征静电力与表面张力之比。

为了分析不同参数对液滴撞击过程的影响，采用无量纲铺展因子α、无量纲拉伸系数β和无量纲时间τ进行表征

(4)(5)(6)

式中，L为液滴在表面上的铺展直径，H为液滴顶点距离下极板的高度，t为液滴与表面接触的某一时刻。

2.结果与分析

2.1垂直电场对液滴撞击亲水表面的影响

2.1.1模态

当液滴与亲水表面发生撞击后，动能会促使液滴在水平方向上发生扩散。一旦液滴达到其最大铺展状态，由于表面能量最小化理论，表面能将转化为动能驱动液滴回缩，并在此过程中，随着液滴拉伸至最大高度，其动能耗散殆尽。图2为去离子水液滴在不同电场强度E下撞击亲水表面的实验模态图。从图中可以看出，无论电场是否存在或电场强度如何变化，液滴撞击下极板过程中的铺展形态演变具有一致性。一旦液滴与表面发生接触，液滴便会在惯性效应下迅速向外铺展，直至达到最大铺展状态(t=4.5 ms)。此时，液滴形态从撞击前的椭圆体变为扁平状，并且伴随着表面张力的作用开始向中心回缩。当回缩到一定高度时，在不同的电场强度下，液滴会呈现出不同的拉伸模态。

图2去离子水在不同场强下撞击亲水表面的模态变化图(We=17.8)

如图2a所示，在没有电场情况下，当液滴回缩到最大高度时开始振荡阶段，经过几个周期的振荡后，多余的能量被粘性耗散所消耗，液滴最终趋于稳定。不同于液滴在重力场中撞击亲水表面，电场作用下液滴撞击亲水表面出现的现象更加复杂，尤其是拉伸阶段的变化。通过改变电场强度的实验现象显示：随着场强的增大，液滴撞击后的拉伸阶段分为三种模态。当We=17.8时，如图2b所示(E=4kV/cm)，当外加电场较弱时，液滴产生第一模态：拉伸后的液滴顶端会由于表面张力和重力共同作用而收缩，但不同于无电场，液滴在电场中会出现明显的拉伸阶段，液滴顶点距离基板的高度增大。当外加电场适中时，如图2c所示(E=5.25kV/cm)，液滴产生第二模态：液滴拉伸作用得到增强，随后顶端会出现轻微收缩，导致液滴颈部发生断裂，形成较大的子液滴，并且分离出的子液滴将继续向上移动。如图2d所示(E=6.5kV/cm)，当外加电场足够强时，液滴产生第三模态：液滴顶部受电场力影响呈锥形状，随后被拉伸出很长的细丝，拉伸后的液滴顶端呈喷射状态，最终细丝断裂形成大量大小不均的子液滴。