倾斜均质表面上等径水滴聚合过程的可视化实验.pdf

中【司T 程热物理学会 学术会议论文 多相流 编号：0 6 6 0 0 5 倾斜均质表面上等径水滴聚合过程的可视 化实验 廖强·邢淑敏朱恂王宏 ( 重庆大学工程热物理研究所，重庆4 0 0 0 4 4 ) ( 联系：0 2 3 - 6 5 1 0 2 4 7 4 ．E - m a i hl q z x @ c q u ．e d u ．c n ) 摘要对倾斜均匀表面上等直径水滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究获得了水滴直径和聚 合表面倾角等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径、接触角和接触线变化特性的影响，分析水滴聚合 对其运动的影响，并与水平表面上等径水滴的聚合运动进行了比较． 美键词倾斜表面，液滴聚合液桥半径．接触角，接触线 1 引言 液滴聚合是珠状凝结中的重要现象，液滴聚合有助于加速液滴的运动，促进液滴 的脱落，增进珠状凝结换热同时也是化工、环保、能源动力等领域传输过程中的常 见现象，对整个传输过程及特性起着很大的作用 J e n sE g g e r s [ 1 】主要针对两个液滴在表面张力作用下聚合中液桥早期的行为变化进 行了理论研究，分析了对聚合的影响，‘并得出结论高曲率的新月形液桥对速度场的影 响很大，成为液体流动主要驱动力。

F ．M a s h a y e k 【2 】采用数值模拟的方法对水平表面上 液滴正碰的形变过程进行模拟，分析了相对速度、雷诺数、韦伯数和大小比例对聚合 过程的影响A ．M e n c h a c a ．R o c h a [ 习对水银液滴在水平表面上以低动能运动而聚合进行 实验研究，并对其整个表面形状的演化进行了模拟C ．A B d d e u 等【4 】对凝结室固体表面 上两个液滴凝结而聚合过程进行了动力学实验和理论分析N ．A s h g r i z 等[ 5 1 对二维液滴 的四种不同碰撞进行了详细的实验研究并建立了理论模型 笔者陆续的对水平均质表面上等径【6 】与非等径液滴的聚合进行了实验研究和理论 分析，对于倾斜表面上液滴聚合的振荡特性研究还尚未见进行 本文采用特殊设计的实验装置，利用高速摄影仪对大气环境下倾斜固体均质表面 上两个等直径静止水滴的聚合进行了可视化实验研究探索液滴聚合过程中液桥半径、 国家自然科学基金资助项目( 批准号：5 0 2 7 6 0 7 2 ) ． 9 1 5 接触角和接触线随时间变化的规律和特性，以及液滴直径和表面倾角等对聚合过程的 影响规律 2 实验装置与实验方法 笔者仍采用原有的实验装置系统【7 】，实验表面为光滑的有机玻璃板，板上开有数 个配对的孔径为0 ．4 m m 的通孔。

有机玻璃板置于支架上，通过旋转支架可以任意调节 实验表面的倾斜度实验中以蒸馏水为实验工质，分别采用水平( 0 0 ) 、3 0 和6 0 三种 倾角，观察水滴的聚合运动特性每次实验前必用酒精和蒸馏水清洗实验表面，再把 表面烘干，确保表面清洁 研究结果得出了液滴聚合后整个表面 形状的演化过程图l 给出了倾斜表面上 液滴聚合中变化的各参数，其中夕为表面 倾角，R ，表示液桥半径，即和哪分别表示 前进接触角和后退接触角，简称为前进角 和后退角，A s 表示接触线位移 3 实验结果及分析 3 ．1 倾斜均质表面等径滴液聚合过程 图I 倾斜表面液滴聚合中各参数的示意图 图2 倾斜6 0 表面等径水滴聚合拍摄图片1图3 倾斜6 0 表面等径水滴聚合拍摄图片2 图2 、3 均为倾斜6 0 表面上等直径水滴聚合拍摄的部分图片，直径分别为3 ．0 7 m m 和5 ．8 0m m 可见液滴的直径较小时，液滴聚合后仍进行周期性的衰减振荡，上 9 1 6 侧液滴向下收缩，下侧液滴边缘位移微小，聚合后液滴的重心下移：振荡平稳后退角 较小，前进角较大，但仍小于9 0 ．液滴的直径较大时，液滴聚合后没有出现周期的 振荡。

液滴聚合后( f = 0m s ) 液桥半径逐渐增大，上侧液滴内部的流体逐渐流向下侧的 液滴内部，下侧液滴体积逐渐增大：在1 - - - - - 2 8 ．4m s 时，液桥半径增加到最大，之后逐 渐减小，接触角逐渐增大，液滴开始下滑； f = 3 4 ．0I n S 后，液滴的前进角始终大于 9 0 f = 5 2 ．6m s 时，可以看到液滴具有长的拖尾，之后拖尾一直收缩．内部液体继 续流向主体部分，液滴下滑速度加快，到l - - - 6 2 ．6m s 时，前端接触线的下滑的平均速 度达到0 ．0 8m ／s ；f ；1 5 9 ．4i n s 时，拖尾与主体脱离，主体的运动速度突然增加除了 动量方面的原因之外．主要是主体与拖尾脱离之后，液滴收缩，表面积减小，释放出 更多的表面能转化成了液滴运动的动能看见液滴直径较大时，液滴聚合后的释放出 的表面能只有一小部分用于液滴的粘性耗散其余的全部转化成了液滴下滑的动能． 3 ．2 聚合液滴接触线随时间的变化 如图4 所示，液滴聚合后，液滴两侧的接触线在2 0 m s 内保持不动2 0 m s 后水平 表面上液滴先向两侧轻微扩张，然后收缩，最后两侧接触线仍回到最初位置保持不变。

倾斜6 0 表面上，上侧液滴接触线持续收缩，下侧液滴接触线明显向外扩张，即液滴 在聚合中出现下滑现象可见倾斜表面上液滴聚合中释放出的表面能除了用于振荡过 程中的粘性耗散，还有一部分用来克服表面的摩擦力，转化成液滴下滑的动能图5 为倾斜3 0 0 和6 0 0 表面上等径液滴聚合中接触线的变化前者两侧的接触线变化较激 烈，并都向内侧收缩倾斜6 0 0 表面上前进接触线振荡轻微，最终仍回到初始位置； 后退接触线向内侧收缩且明显大于倾斜3 0 0 表面上液滴的收缩幅度；聚合后液滴的重 心下移．有明显下滑趋势可见，相同直径的液滴聚合，表面的倾角越大，下滑的临 f ( m s ) 图4 不同倾角表面等径水滴聚合液滴前 后接触线的变化 界半径减小，液滴的下滑趋势越明显 r ( m s ) 图5 不同倾角表面等径水滴聚合液滴前后 接触线的变化 9 1 7 如图6 所示，水平表面上等径液滴聚合时两侧接触线先保持不动，而后向外侧 移动，液滴的直径越大，两侧接触线保持不动的时间越长．向外移动的距离越人如 图7 ，液滴的直径较小时．液滴的前进接触线位移很小后退接触线向内收缩．重心 向下有微小的位移：液滴的直径较大时，后退接触线沿表面向下有微小的移动，前进 接触线则向下滑动距离较大。

可见，相同倾角表面上液滴聚合液滴的直径越大，聚 合后液滴下滑的距离越长在一定倾角的倾斜表面上静止液滴必须达到一定的临界 半径才能够克服表面最大静摩擦力而下滑当两个静止液滴聚合时，表面形变释放出 的表面能有一部分转化成了液滴运动的动能，所以聚合后的液滴能够在小于临界半径 时就从表面下滑 r ( m s ) 图6 水平表面不同容积的等径水滴聚合中 液滴的接触线变化 ． r ( m s ) 图7 倾斜6 0 ’表面不同容积的等径水滴 聚合液滴的接触线变化 3 ．3 聚合液滴液桥半径随时间的变化 ．图8 为3 组不同倾角表面上等径液滴聚合中液桥半径的变化可见液滴直径较小 r ( m s ) 图8 不同倾角表面上等径水滴聚合中液桥 半径的变化 r ( m s ) 图9 水平表面E 不同容积的等径水滴聚合 ‘中液桥变化 时，液桥半径呈现规律性的衰减振荡可以看出液滴的直径越大，液桥半径振幅越大： 相同直径液滴聚合，表面倾角越小，液桥半径振荡时间越长 9 1 8 从图9 中可以看出，水平表面上液滴聚合．液滴的直径越小．液桥半径的的振幅 越小，振荡时间越短如图l O 、1 1 所示，倾斜表面上液滴直径的大小对液桥半径的影 响很大。

液滴的直径越小液桥半径的振荡频率越大，振幅越大，振荡时间越长；当 液滴的直径达到一定值时，液滴液桥半径只有一个峰值，然后就迅速减小，与水平表 面上的结果相反这是因为倾斜表面上液滴聚合时当液滴直径达到一定值，液滴聚 合后就开始下滑，液滴形变所释放的表面能更多的转化成了液滴下滑的动能和克服表 面的摩擦力所作的功，相应的减少了用于液滴振荡的耗散能量． t ( m s ) 图1 0 倾斜3 0 表面不同直径的等径水 滴聚合液桥变化 3 ．4 聚合液滴接触角随时间的变化 f ( m s ) 图1 2 倾斜6 0 和水平表面等径水滴聚合 r ( m s ) 图I l 倾斜6 0 表面不同直径的等径水滴 聚合液桥变化 f ( m s ) 图1 3 水平表面不同液滴直径的等径水滴 前后接触角变化聚合前后接触角的变化 如图1 2 所示，水平表面上等径水滴聚合中两侧接触角变化相同，振荡时间较长 倾斜6 0 0 表面上等径水滴聚合f j { 『后接触角的变化较大，振荡时间较短，前进角人于后 退角聚合前后筹值约为9 8 0 ，这与液滴直径和表面倾角的大小有关从图1 3 中可以 看出，水平表面上液滴聚合时，液滴的直径越小，液滴两侧接触角达到峰值的时间越 9 1 9 早，振荡时问越短，振幅越小，规律 性越强。

液滴聚合后的接触角小于聚 合前的接触角，同样是接触角滞后现 象【6 】 如图1 4 所示倾斜6 0 表面上 等径水滴聚合中一般前进角大于后 退角，液滴的直径越小，接触角的振 荡的时间越长，聚合后前后接触角的 差值越小这与上节中液桥半径变化 得出的结果～致 4 结论 ●D ．= 5 ．6 1 m ml o w ，D ：= 5 ．9 9 m mu p ；r a t i o ：1 ．0 7 口D ：：2 ．9 9 m ml o w ●D ’．= 3 ．17 m mu p ；r a t i o ：1 ．0 6 图1 4 倾斜6 0 表面不同液滴容积的等径液滴聚 合前后接触角的变化 本文对倾斜均质表面上等直径液 滴的聚合现象进行了可视化实验研究，并与水平表面上等直径液滴的聚合进行了比较， 得到如下结论：， ( 1 ) 相同容积的等径液滴聚合，表面的倾角越大，下滑的临界半径越小，液滴的下滑 趋势越明显：相同倾角表面上等径液滴聚合，液滴的直径越大．液滴聚合后越容 易下滑；液滴聚合可以加快液滴的运动，使液滴在小于表面下滑临界半径时沿表 面下滑 一 ( 2 ) 相同直径液滴聚合，表面倾角越小，液桥半径振荡时问越长。

倾斜表面上等径液 ：滴聚合，液滴的直径越小，液桥半径的振荡频率越大，振幅越大振荡时问越长． 与水平表面上的结果相反：当液滴的直径较大时，液滴液桥半径只有一个峰值， 然后就迅速减小，不再振荡 ( 3 ) 倾斜表面上等径液滴聚合中，一般前进角大于后退角；相同倾角表面上等径水滴 聚合，液滴的直径越小，接触角的振荡的时间越长．聚合后前后接触角的差值越 小 ( 4 ) 水平表面上液滴聚合中释放出的表面能全部用于液滴的粘性耗散：倾斜表面上液 滴聚合释放出的表面能除了·部分用于聚合中的粘性耗散外．还有一‘部分用来克 服表面的摩擦力，表面的倾角和液滴的直径越人，转化成液滴F 滑的动能越多 参考文献 IJ e n sE g g e r s ，J o h nR ．L i s t e r ．C o a l e s c e n c eo f l i q u i dd r o p s ．J ．F l u i dM e c h ．1 9 9 9 ，v 0 1 ．4 0 1 ：2 9 3 ·3 1 0 9 2 0 2 F ．M a s h a y e k N ．A s h g r i z ．C o a l e s c e n c ec o l l i s i o no fl i q u i dd r o p s ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH e a ta n d ’M a s sT r a n s f e r ．2 0 0 3 ，4 6 ( 1 ) ：7 7 ·8 9 3 A ．M e n c h a c a - R o c h a ，A ．M。