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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(二)

來源:力學(xué)與實(shí)踐 瀏覽 656 次 發(fā)布時間:2025-02-17

1.實(shí)驗(yàn)方法


1.1可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)


實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示,該系統(tǒng)主要包括:由微流注射泵、注射器和不銹鋼針管組成的液滴生成系統(tǒng);由高壓直流電源(JMDC-P30-1mA)和鱷魚夾線組成的靜電電壓系統(tǒng);由高速相機(jī)(Fastcam Mini AX 100-C)和LED燈組成的可視化系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖


在本實(shí)驗(yàn)中,將兩塊直徑為10cm的圓形鋁板沿著垂直方向放置,其間隔固定為20mm。在上極板中心位置開一個直徑為5mm的孔口,以便液滴從上極板上方滴落,穿過上極板與下極板發(fā)生撞擊行為。為了實(shí)現(xiàn)垂直電場的形成,將高壓直流電源與下極板相連,上極板作接地處理,這樣的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個垂直電場和一個帶電的基底。此外,不銹鋼針管(G24,外徑0.55m,內(nèi)徑0.27mm)通過毛細(xì)管連接到微流注射泵上,使液滴以恒定的撞擊速度滴落到下極板。為了消除靜電對實(shí)驗(yàn)的影響,將針管作接地處理,確保液滴在進(jìn)入電場之前不攜帶任何感應(yīng)電荷。


實(shí)驗(yàn)中,通過將液滴釋放高度從25 mm調(diào)整到65 mm來改變液滴的撞擊速度,根據(jù)撞擊前兩個連續(xù)圖像的移動垂直距離除以圖像一幀時間(0.25 ms)得到撞擊初速度V0,其范圍在0.7~1.129 m/s之間。另外通過調(diào)節(jié)高壓電源的輸出電壓U(0~30 kv)來控制電場強(qiáng)度E(


)。利用高速相機(jī)以每秒4000幀的速度記錄液滴在電場作用下的整個撞擊過程,從液滴的鋪展、回縮運(yùn)動開始,隨后受靜電力的影響下出現(xiàn)拉伸或彈射行為,直至振蕩結(jié)束,采用不產(chǎn)生任何熱效應(yīng)的冷光源照射液滴撞擊過程。整個實(shí)驗(yàn)過程均在室溫環(huán)境下進(jìn)行,并將所有測量設(shè)備均進(jìn)行接地處理防止靜電積累。此外,為了排除實(shí)驗(yàn)的偶然性,在每一個撞擊條件下都進(jìn)行了至少三次的重復(fù)實(shí)驗(yàn),從而減小實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)誤差。


1.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析


本實(shí)驗(yàn)選取去離子水作為研究對象,鑒于其導(dǎo)電率極低,因此可以認(rèn)為去離子水在進(jìn)入電場且未撞擊壁面之前,幾乎不受電場力的影響。實(shí)驗(yàn)中,液滴在下落過程中受到重力的影響不再是一個標(biāo)準(zhǔn)的球體,可近似為橢圓體,因此通過下式修正得到液滴初始直徑D0的近似值



式中,Dv為液滴豎直方向上的直徑,Dh為液滴水平方向上的直徑。實(shí)驗(yàn)中液滴的D0為2.65±0.05 mm,由多次不同電場強(qiáng)度條件下的實(shí)驗(yàn)圖像測量并計算得到。在研究電場強(qiáng)度和韋伯?dāng)?shù)的影響時,采用親水表面,靜態(tài)接觸角θ約為73±1°。靜態(tài)接觸角定義為固液界面和氣液界面之間的夾角。


本文主要研究電場強(qiáng)度、低韋伯?dāng)?shù)和不同潤濕性對液滴撞擊固體表面上動力學(xué)行為的影響,采用無量綱韋伯?dāng)?shù)We、電毛細(xì)力Cae來描述液滴撞擊過程

(2)(3)


式(2)中ρ為液滴密度,γ為液滴表面張力,表征慣性力與表面張力之比;式(3)中ε2為環(huán)境介電常數(shù),r為液滴半徑,表征靜電力與表面張力之比。


為了分析不同參數(shù)對液滴撞擊過程的影響,采用無量綱鋪展因子α、無量綱拉伸系數(shù)β和無量綱時間τ進(jìn)行表征

(4)(5)(6)

式中,L為液滴在表面上的鋪展直徑,H為液滴頂點(diǎn)距離下極板的高度,t為液滴與表面接觸的某一時刻。


2.結(jié)果與分析


2.1垂直電場對液滴撞擊親水表面的影響


2.1.1模態(tài)


當(dāng)液滴與親水表面發(fā)生撞擊后,動能會促使液滴在水平方向上發(fā)生擴(kuò)散。一旦液滴達(dá)到其最大鋪展?fàn)顟B(tài),由于表面能量最小化理論,表面能將轉(zhuǎn)化為動能驅(qū)動液滴回縮,并在此過程中,隨著液滴拉伸至最大高度,其動能耗散殆盡。圖2為去離子水液滴在不同電場強(qiáng)度E下撞擊親水表面的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)圖。從圖中可以看出,無論電場是否存在或電場強(qiáng)度如何變化,液滴撞擊下極板過程中的鋪展形態(tài)演變具有一致性。一旦液滴與表面發(fā)生接觸,液滴便會在慣性效應(yīng)下迅速向外鋪展,直至達(dá)到最大鋪展?fàn)顟B(tài)(t=4.5 ms)。此時,液滴形態(tài)從撞擊前的橢圓體變?yōu)楸馄綘睿⑶野殡S著表面張力的作用開始向中心回縮。當(dāng)回縮到一定高度時,在不同的電場強(qiáng)度下,液滴會呈現(xiàn)出不同的拉伸模態(tài)。

圖2去離子水在不同場強(qiáng)下撞擊親水表面的模態(tài)變化圖(We=17.8)


如圖2a所示,在沒有電場情況下,當(dāng)液滴回縮到最大高度時開始振蕩階段,經(jīng)過幾個周期的振蕩后,多余的能量被粘性耗散所消耗,液滴最終趨于穩(wěn)定。不同于液滴在重力場中撞擊親水表面,電場作用下液滴撞擊親水表面出現(xiàn)的現(xiàn)象更加復(fù)雜,尤其是拉伸階段的變化。通過改變電場強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯示:隨著場強(qiáng)的增大,液滴撞擊后的拉伸階段分為三種模態(tài)。當(dāng)We=17.8時,如圖2b所示(E=4kV/cm),當(dāng)外加電場較弱時,液滴產(chǎn)生第一模態(tài):拉伸后的液滴頂端會由于表面張力和重力共同作用而收縮,但不同于無電場,液滴在電場中會出現(xiàn)明顯的拉伸階段,液滴頂點(diǎn)距離基板的高度增大。當(dāng)外加電場適中時,如圖2c所示(E=5.25kV/cm),液滴產(chǎn)生第二模態(tài):液滴拉伸作用得到增強(qiáng),隨后頂端會出現(xiàn)輕微收縮,導(dǎo)致液滴頸部發(fā)生斷裂,形成較大的子液滴,并且分離出的子液滴將繼續(xù)向上移動。如圖2d所示(E=6.5kV/cm),當(dāng)外加電場足夠強(qiáng)時,液滴產(chǎn)生第三模態(tài):液滴頂部受電場力影響呈錐形狀,隨后被拉伸出很長的細(xì)絲,拉伸后的液滴頂端呈噴射狀態(tài),最終細(xì)絲斷裂形成大量大小不均的子液滴。


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