学术报告：关于液滴撞击加热固体表面传播行为研究

研究作者与机构： 该研究由以下作者完成：Rafil Arizona、Teguh Wibowo、Indarto Indarto 和 Deendarlianto。作者所属机构包括印尼 Universitas Gadjah Mada 工程学院机械与工业工程系以及能源研究中心，以及 Adisutjipto Technology College 的机械工程系。该研究发表在 *MATEC Web of Conferences*（2018年，卷197）上，并作为 AASEC 2018 会议的一部分。

研究背景与目的：

在加热固体表面上的液滴撞击现象是一种重要的物理过程，涉及液滴的传播、反弹和飞溅等行为。这一现象在喷雾冷却（spray cooling）技术中有着重要的应用。喷雾冷却技术能够通过液滴的快速冷却去除大量热量，这在提高热传递效率、减少设备体积和成本方面有很大优势。目前关于单一液滴撞击固体表面的研究比较完善，而关于多个液滴的动态行为研究却相对有限。

已有研究指出，液滴的表面张力（surface tension）对液滴撞击固体表面的行为起着重要作用，而表面张力受到液体组成和温度的显著影响。例如，由 Deendarlianto 等人指出液滴润湿行为（wettability）与热传递效率密切相关；Bernadin 和 Mudawar 证明喷雾冷却能够实现高热流去除率，而 Riobo 等人和 Cossali 等人的研究分析了液滴传播直径、黏度等因素对液滴传播及飞溅行为的影响。

基于这些背景，该研究的目标是通过实验方法探讨不同表面张力下多液滴撞击加热固体表面时的动力学行为，分析表面张力对液滴传播比（spreading ratio）以及次级液滴（secondary droplet）出现行为的影响。

研究方法学：

该实验研究采用了一套与前期相关研究相似的实验装置：

1. 实验设备与环境控制：

   • 实验装置包括一台感应炉用于加热试样（不锈钢材料）的表面，控制表面温度分别为100℃、150℃和200℃。
   • 温度由热电偶实时监测和记录。
   • 液滴通过喷嘴以恒定频率（250滴/分钟）滴落在加热的表面上，液滴直径保持为2.8 mm，喷嘴与加热表面的高度设为50 mm，以保证中等韦伯数（Weber number）。

2. 实验液体与表面张力测试：

   • 实验中使用了不同浓度的乙二醇（ethylene glycol, EG）水溶液，包括0%、5%和15%乙二醇的混合物。
   • 不同混合比例的液体表面张力分别经测试确定：EG 0% 为 70.1 mN/m，EG 5% 为 59.1 mN/m，EG 15% 为 51.3 mN/m。

3. 实验观察与图像处理：

   • 采用高速摄像机（帧速2000 fps）记录液滴的动态行为。
   • 应用图像处理技术从视频数据中提取和分析液滴的传播直径，定义传播比β为液滴初始直径与润湿区域直径的比值。

4. 分析策略： 所有实验设置完成后，通过对液滴撞击表面过程的视觉分析及数据记录，探讨了液滴传播、反弹、次级液滴生成等行为，并比较了不同表面张力下的传播比。

研究结果与讨论：

1. 表面温度100℃下的液滴行为：

   • 在100℃下，随着乙二醇浓度增加（即表面张力减少），液滴的最大传播比显著增加。
   • 传播和回缩行为观察结果：EG 0%、5% 和 15% 的液滴最大传播发生时间分别为t=255 ms、322.5 ms 和260 ms；回缩过程则分别发生在t=262.5 ms、332.5 ms 和270 ms。
   • 图像显示，乙二醇浓度越高（即表面张力越低），传播直径更大，传播比更高（图 2 和图 3）。

2. 表面温度150℃下的液滴行为：

   • 在150℃时，除了传播和回缩外，新现象“分裂”（split）出现。液滴分裂成主要液滴及若干次级液滴，次级液滴的生成伴随着小气泡的出现和破裂。
   • 次级液滴生成的速度与表面张力正相关。例如，EG 0% (70.1 mN/m) 的次级液滴出现于t=183 ms，而EG 15% (51.3 mN/m) 的次级液滴则出现在t=237.2 ms。
   • 另一方面，较低表面张力的液滴传播比更大，乙二醇浓度更高的液体传播比显著增加（图4 和图5）。

3. 表面温度200℃下的液滴行为：

   • 在表面温度200℃时，传播比继续随表面张力的降低而增大。同时，次级液滴生成的速度仍与表面张力正相关。
   • 尽管试验中未观察到液滴反弹现象，但通过加粘性液体如甘油的混合物实验，发现液体粘度的增加抑制了次级液滴的分裂和飞溅。
   • 这一温度下的实验验证了较高粘度液体（如加甘油后的液体）具有较低流体雷诺数（Reynolds number），同时也降低了对流热量的传递效率（图6和图7）。

4. 最大传播比发生条件：

   • 在实验中发现最大传播比的条件表现为150℃表面温度下的EG 15%液体，这说明表面张力显著影响了多液滴碰撞过程的传播行为。

研究结论：

该研究通过设计不同表面张力和温度条件的实验，揭示了液滴在多液滴撞击条件下复杂的动态行为。主要结论如下： - 表面张力显著影响传播比，表面张力越低，传播比越大。 - 随着温度升高，分裂和次级液滴生成变得更加显著。 - 实验结果为多液滴撞击的计算流体力学（CFD）模型提供了宝贵的验证数据。

研究亮点：

1. 创新性实验设计： 不同乙二醇水溶液和温度梯度的综合分析为多液滴撞击行为研究提供了新的广度。
2. 对喷雾冷却领域的应用价值： 研究结果有助于优化热管理系统中喷雾冷却器件的设计与参数选择。
3. 实验结果的实际验证性： 通过高速摄像和图像处理技术实时捕捉和分析多液滴行为，成果为理解液滴动态行为提供了可信的实验支撑。

重要意义：

该研究不仅深化了对液滴撞击行为的理论理解，还在实际热管理与喷雾应用中具有重要的工程价值。尤其在高效热传递设备中，优化液滴参数（如表面张力和撞击温度）有助于提升系统性能和减少成本。