液滴碰撞研究 - 客戶(hù)案例 - 千眼狼 _高速相機_國產(chǎn)高速攝像機

液滴碰撞研究

1、千眼狼高速成像技術(shù)在流體力學(xué)研究中的應用

帶有自由界面大變形過(guò)程的流體動(dòng)力學(xué)研究廣泛應用于我們日常生活和工農業(yè)生產(chǎn)安全、現代高精制造技術(shù)中。但自由界面在極短時(shí)間內的劇烈變形對觀(guān)測手段的時(shí)空分辨率提出了苛刻的要求，常規流體力學(xué)實(shí)驗方法難以有效的觀(guān)測記錄。

華中科技大學(xué)科研人員在自由界面大變形演化的動(dòng)力學(xué)機理及應用研究中，采用千眼狼高速攝像儀與高速成像技術(shù)搭建高速觀(guān)測平臺來(lái)驗證實(shí)驗數值模型準確性。通過(guò)理論分析、數值預測和實(shí)驗驗證相結合的研究體系，探究了自由界面大變形的特征及其動(dòng)力學(xué)機理。（更多詳情請見(jiàn)中國知網(wǎng)《自由界面大變形演化的動(dòng)力學(xué)機理及應用研究》）

2、自由界面大變形演化的動(dòng)力學(xué)機理研究實(shí)驗

1/2.實(shí)驗方法

圖撞擊過(guò)程自由界面動(dòng)態(tài)大變形觀(guān)測實(shí)驗系統

本次實(shí)驗搭建液滴碰撞過(guò)程自由界面大變形實(shí)驗觀(guān)測系統，對自由界面大變形過(guò)程的特征分析全部基于高速攝像獲得的液滴形貌進(jìn)行圖像處理獲得。系統采用千眼狼5K20系列相機，以5000幀/秒的速度采集液滴與界面撞擊瞬間。

2/2.二次微液滴噴射過(guò)程的自由界面大變形研究

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圖潤濕性對液滴鋪展收縮過(guò)程的影響

通過(guò)高速觀(guān)測平臺觀(guān)測了低慣性液滴沖擊光滑表面的自由界面大變形過(guò)程。發(fā)現沖擊慣性????=26~54的液滴在部分潤濕性表面上鋪展收縮過(guò)程中，中心射流斷裂形成二次微液滴噴射。

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圖液滴鋪展收縮動(dòng)力學(xué)過(guò)程

基于液滴自由界面大變形形貌分析揭示了低慣性鋪展模式下二次微液滴的發(fā)射機理和大變形過(guò)程中主要特征與慣性力的關(guān)系。中心射流斷裂細節分析表明低慣性液滴鋪展模式下二次微液滴發(fā)射的內在驅動(dòng)因素是毛細表面波在液膜中的匯聚傳播。

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圖液膜收縮模式相圖

液膜收縮動(dòng)力學(xué)分析表明在中心射流形成前液膜厚度等于表面毛細波的波高，表面毛細波的等效直徑線(xiàn)性遞減；中心射流形成后，射流等效直徑的擴張符合標度律。

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圖液滴薄膜收縮過(guò)程中中心射流形成、斷裂到二次微液滴彈射過(guò)程

對液膜收縮形成二次微液滴過(guò)程的主要特征的慣性影響分析表明，根據潤濕界面接觸粘性是否影響，動(dòng)力學(xué)主要特征可以分為慣性不變特征和慣性變化特征。慣性不變特征包括歸一化后退時(shí)間、中心射流噴射時(shí)間、頂尖形成時(shí)間、后退波特征波速和歸一化射流高度、頂尖直徑和液滴直徑等。慣性變化特征包括歸一化后退波高、頂尖高度和二次液滴速度、動(dòng)能等。特征隨慣性變化滿(mǎn)足分段線(xiàn)性關(guān)系，轉變極值發(fā)生在沖擊慣性????=40~42之間。

3/2.納米顆粒對液滴自由界面大變形影響研究

圖銀納米流體沖擊光滑基板的自由界面大變形演變數值模型驗證

科研人員使用實(shí)驗觀(guān)測和SPH數值模擬相結合的方法研究納米顆粒對液滴沖擊固壁的自由界面大變形動(dòng)力學(xué)過(guò)程，用SPH模擬結果與高速攝像儀拍攝的實(shí)驗結果對比驗證數值模型對納米流體液滴的自由界面大變形過(guò)程的預測準確性。圖3-1(a)和(b)分別展示了納米流體液滴以韋伯數為5.12和44.37的慣性沖擊光滑壁面的自由界面變形演化過(guò)程的實(shí)驗與數值預測對比。發(fā)現SPH模型對液滴沖擊過(guò)程中自由界面的形貌提供了較為準確的預測。

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圖去離子水和納米流體液滴叢集光滑壁面后的形貌演化對比

去離子水和納米流體液滴的實(shí)驗和模擬對比值都位于Y=X線(xiàn)附近，說(shuō)明SPH模型對最大潤濕系數的預測精度在可接受的范圍內。在探究變形過(guò)程的影響機理，并根據數值模擬結果對含納米顆粒的液滴在等溫光滑壁面和伴隨熱輸運的光滑壁面上的鋪展潤濕過(guò)程進(jìn)行了詳細分析。均勻分散的低體積濃度納米流體滿(mǎn)足牛頓流體特征。SPH數值模型可以準確的預測液滴形貌變化和接觸線(xiàn)運動(dòng)特征，最大潤濕半徑預測誤差小于4%。

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圖10.png

圖納米流體液滴在光滑壁面上鋪展過(guò)長(cháng)液滴及內部速度矢量場(chǎng)

通過(guò)對納米顆粒對液滴潤濕行為的影響主要發(fā)生在接觸線(xiàn)后退階段，其機理為毛細流帶動(dòng)納米顆粒在接觸線(xiàn)附近累積，對接觸線(xiàn)運動(dòng)產(chǎn)生釘扎效應。納米流體液滴在等溫和加熱光滑基板上的潤濕過(guò)程進(jìn)行了數值分析得到，納米流體鋪展過(guò)程中液滴內部始終保持層流，最大歸一化潤濕半徑與韋伯數????和雷諾數????的擬合關(guān)系為：

熱輸運過(guò)程導致液滴內部形成層狀溫度分布，自然對流浮力改變了液滴底部層的局部速度場(chǎng)，但不影響液滴自由界面的變形。

圖納米流體液滴低慣性沖擊80°C加熱基板的自由界面大變形過(guò)程

液滴初始慣性的不同帶來(lái)了兩種不同的熱分布模式，低慣性沖擊下高溫區位于潤濕區中心，低溫區位于接觸線(xiàn)周?chē)惠^高慣性沖擊下，沖擊壓迫使流體快速向四周鋪展，高溫區位于接觸線(xiàn)附近，而低溫區位于潤濕區中心。

4/2.液滴微通道滲透過(guò)程的自由界面大變形研究

圖帶油T型微通道基板的幾何結構簡(jiǎn)圖

基于T型微通道幾何模型對伴隨液滴鋪展過(guò)程的微通道滲流過(guò)程進(jìn)行了數值模擬，研究了滲流通過(guò)微通道節點(diǎn)的自由界面大變形動(dòng)力學(xué)機理。通過(guò)高速攝像儀采集結果及液滴鋪展過(guò)程慣性階段的Power定律和粘性階段的Tanner定律對比表明，SPH數值模型能夠準確預測液滴潤濕及微通道滲流過(guò)程的自由界面變形形貌。

圖液滴鋪展SPH數值模型驗證

科研人員從自由界面大變形角度分析，滲流液體在多孔介質(zhì)的微通道中存在四種滲流模式。在疏水表面，液滴處于Cassie-Baxter狀態(tài)，流體隨著(zhù)鋪展進(jìn)行退出 T 型微通道，形成回退模式。在親水表面，不同沖擊慣性力與毛細力作用下微通道節點(diǎn)處的自由液面進(jìn)行阻尼諧振，根據諧振振幅依次出現懸垂或捕獲(SOC)、非對稱(chēng)橫向滲透(ATP)和對稱(chēng)橫向滲透(STP)三種模式。

圖 T形微通道中的液滴滲透模式

此外，分析了微通道孔徑特征尺寸、基板表面潤濕性和液滴沖擊慣性對滲透模式轉變的影響。結果表明增強潤濕性會(huì )降低滲透模式轉變所需要的慣性力；增大微通道孔徑特征尺寸會(huì )提高滲透模式從懸垂或捕獲(SOC)轉變?yōu)榉菍ΨQ(chēng)橫向滲透(ATP)所需要的慣性力，降低從非對稱(chēng)橫向滲透(ATP)轉變?yōu)閷ΨQ(chēng)橫向滲透(STP)所需要的慣性力。

圖橫向滲透模式的實(shí)驗觀(guān)察

對液滴在并列 T 型微通道組成的多孔基板上的鋪展滲透過(guò)程研究表明，隨著(zhù)沖擊慣性增大，液滴在多孔基板中的滲透模式組合從單純的SOC模式轉變?yōu)锳TP-SOC兩層環(huán)形分布，最后轉變?yōu)镾TP-ATP-SOC三層環(huán)形分布；增大孔隙率會(huì )抑制橫向滲流蠕動(dòng)，使橫向滲透率出現輕微下降。

圖橫向滲透機理與液滴在并列T型微通道孔板上的鋪展

5/2.相變過(guò)程自由界面大變形研究

相變過(guò)程是典型的熱流耦合仿真難題，熱輸運過(guò)程通過(guò)控制相態(tài)轉變模式對自由界面大變形過(guò)程產(chǎn)生直接影響。在相變過(guò)程自由界面大變形研究中，科研人員選擇石英玻璃電熔和液滴潤濕高溫基板兩個(gè)典型過(guò)程研究了固液相變和液氣相變兩個(gè)自由界面大變形過(guò)程，分析了熱輸運對自由界面大變形過(guò)程的控制機理和參數化影響。針對固液相變，基于SPH-FEM耦合求解方法對石英玻璃電熔過(guò)程進(jìn)行了數值模擬，根據模擬結果詳細分析了石英熔化過(guò)程的相變模式演化。

圖石英玻璃電熔過(guò)程

圖模型驗證

石英錠在環(huán)形加熱模式下以整體坍塌形式進(jìn)行自由界面變形，熔化結束時(shí)刻底部中心區域出現圓錐形不完全熔化夾雜。熔化過(guò)程中，不同熱參數下石英內部存在兩段式和連續式兩種相變模式。提高初始溫度促使固態(tài)石英轉變?yōu)楹隣钍ⅲ岣呒訜崞鳒囟却偈购隣钍⑥D變?yōu)槿廴谝后w石英。提出熱參數優(yōu)化加底部加熱器局部熱場(chǎng)調節方案消除了不完全熔化夾雜。

圖液滴潤濕加熱基板（120°C）的自由界面大變形過(guò)程

針對液氣相變，基于均勻混合物假設分析了含納米顆粒的液滴潤濕高溫基板的蒸發(fā)沸騰過(guò)程。通過(guò)分析揭示了潤濕過(guò)程中接觸蒸發(fā)和回彈蒸發(fā)兩種相變模式。提高加熱溫度相變模式從接觸蒸發(fā)轉變?yōu)榛貜椪舭l(fā)，而提高納米顆粒體積濃度相變模式先從接觸蒸發(fā)轉變?yōu)榛貜椪舭l(fā)再變回接觸蒸發(fā)。潤濕過(guò)程液滴經(jīng)歷了鋪展、收縮和最后蒸發(fā)消失三個(gè)階段，蒸發(fā)速率的峰值發(fā)生在液滴收縮階段。

圖液滴在高溫加熱基板上歸一化潤濕半徑隨時(shí)間變化規律

3、實(shí)驗結果

(1) 液膜收縮過(guò)程中中心射流和二次液滴噴射發(fā)生在液滴沖擊部分潤濕性表面且沖擊慣性為韋伯數????=26~54，其機理為表面毛細波匯聚擠壓在液滴中心部位形成射流及頂尖結構，進(jìn)而在Rayleigh-Plateau不穩定性作用下發(fā)生頂尖夾斷，形成二次微液滴。

(2) 含納米顆粒的液體沖擊光滑表面過(guò)程中納米顆粒會(huì )遲滯接觸線(xiàn)后退，其機理為納米顆粒在接觸線(xiàn)附近累積，對接觸線(xiàn)產(chǎn)生釘扎效應。

(3) 伴隨鋪展過(guò)程含T型微通道的基板中液滴前驅在通過(guò)通道節點(diǎn)時(shí)存在回退(Retraction)、懸掛或捕捉(SOC)、單邊非對稱(chēng)(ATP)、雙邊對稱(chēng)(STP)四種滲透模式。增強潤濕性會(huì )降低滲透模式轉變所需要的慣性力；增大微通道孔徑尺寸會(huì )提高滲透模式從 SOC轉變?yōu)锳TP所需要的慣性力，降低從 ATP 轉變?yōu)镾TP所需要的慣性力。

(4) 以石英電熔和液滴潤濕高溫基板為例研究了固液相變和液氣相變過(guò)程。電熔過(guò)程中石英錠在環(huán)形加熱模式下整體坍塌，不同熱參數下內部存在兩段式和連續式兩種熔化相變模式。熔化結束時(shí)，底部中心區域出現不完全熔化夾雜，提高加熱器溫度或降低初始溫度有利于抑制這種不完全熔化。高溫基板潤濕過(guò)程中隨著(zhù)基板溫度升高，液滴存在接觸蒸發(fā)和回彈蒸發(fā)兩種模式。潤濕過(guò)程包括液滴鋪展、收縮和蒸發(fā)消失三個(gè)階段，蒸發(fā)速率的峰值發(fā)生在收縮階段。

4、總結

實(shí)驗結合理論分析、數值模擬和高速攝像儀觀(guān)測平臺對液滴沖擊動(dòng)力學(xué)、相變動(dòng)力學(xué)過(guò)程中涉及的典型自由界面大變形問(wèn)題進(jìn)行了研究。千眼狼高速成像技術(shù)是科研可視化實(shí)驗中研究瞬態(tài)過(guò)程最有效的工具之一，幫助科研人員加深對復雜物理現象的認知，發(fā)現新現象，提供新解釋。(此文源自華中科技大學(xué)劉忠義博士)

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