Ganesh Guggilla、Ramesh Narayanaswamy 和 Arvind Pattamatta 等研究人员在这篇发表于 Experimental Thermal and Fluid Science 期刊的文章中，详细研究了两列同心液滴在加热表面上的碰撞及其扩散与热传递动态行为。这项研究汇集了来自印度 Indian Institute of Technology Madras 和澳大利亚 Curtin University 的科学家，其研究结果于 2020 年在 Elsevier 平台发表。

学术背景及研究动机

液滴与固体表面的相互作用，在许多自然现象与工业过程（如喷涂冷却、燃料燃烧、金属淬火等）中扮演了至关重要的角色。在这些应用场景中，液滴冲击固体墙面时的扩散、蒸发和热传递行为显得尤为复杂，涵盖了多尺度的流体动力学、热质传递，以及表面物理化学特性等领域。现有文献已经对液滴在非加热表面（隔热墙面）及液膜、水坑表面碰撞的行为进行了广泛研究，而在高温固体墙面上的液滴冷却效应，尤其是多液滴连续碰撞的情况，尚存在研究空白。

针对这一问题，该研究旨在通过实验手段探讨两列液滴在加热表面上的连续碰撞扩散和热传递行为。研究目标包括：比较单液滴与多液滴（“滴撞滴”）在不同温度下的扩散动态；分析不同表面热状态下的液滴输入热量传递特性，并通过高速影像与红外热成像技术挖掘接触角动态和液滴蒸发效应。

研究流程与实验方法

研究分为实验设计、冲击配置与数据分析三个主要阶段，具体如下：

1. 实验装置及液滴生成

实验搭建了一个多功能装置，包括液滴生成单元、加热表面装置和图像采集系统。通过微流体压力泵（Dolomite Mitos P-Pump）和空气压缩机精确控制滴速。每分钟生成 20 滴直径为 2.80 ± 0.04 mm 的去离子水液滴，液滴从一定高度下落使其 Weber 数与 Reynolds 数分别固定为 50 ± 2 和 3180 ± 90。

2. 加热表面及温度参数的设计

研究中采用了一块厚度为 25 μm 的 Inconel 600合金箔作为加热目标面，表面预先涂覆了高辐射率黑色涂层（ε = 0.82）。表面粗糙度（Ra）控制在 0.15–0.30 μm。利用直流电源（60A）调控目标温度，范围从环境温度 22°C 至最高 175°C。红外相机（FLIR X6540sc）用于捕捉液滴撞击后的温度分布，测温精度 ±1 K。

3. 流体动力学与红外成像

实验同时使用高速相机（Photron Fast Cam）与红外成像技术进行实时采样。高速相机记录液滴扩散直径与动态接触角变化，红外成像用于记录并分析表面温度与热通量分布。利用 MATLAB 和 ImageJ 对流体动力学图像进行边缘识别与处理，并进一步计算液滴体积、扩展直径和接触角。

4. 冲击配置及物理量观测

实验对比了两种情境：单个液滴（Single Drop）和双列液滴（Drop-on-Drop）连续冲击同一加热表面。在“滴撞滴”情境中，时间间隔约 3 秒，确保前液滴在表面形成静态液滴后，后续液滴进行碰撞。

研究结果与分析

1. 动力学行为分析

• 扩散因子的温度依赖性：液滴冲击表面后，其扩散因子（Spread Factor，∗s）—扩散直径与撞击液滴直径之比—随着表面温度升高而显著下降。无论是单液滴还是滴撞滴配置，这一趋势在第二轮周期性扩散-回缩过程中尤为明显。
• 最大扩散因子：单液滴的最大扩散随温度显著减小，而滴撞滴配置中，由于存在合并效应，其初始扩张稍大，但净扩散受到温度较弱的影响。

2. 热传递分析

• 热传递效率与三相接触线：热通量分布集中于液滴三相接触线附近的区域，在回缩阶段尤为显著。当表面温度升高时，传到液滴中的热量增加，但滴撞滴配置中，其热传递效率低于单液滴冲击。这是因为前液滴的预冷作用降低了表面初始温度，且二次碰撞导致有效面积与体积比减小，热传递能力降低。
• 表面冷却效果：尽管滴撞滴配置导致更大的冷却面积，其输入热通量显著下降。通过比较表面中心温度，这一温度下降趋势在单液滴配置中更为明显。

3. 接触角与表面润湿性

动态接触角随时间初增后降，但对表面温度的敏感性不强。此外，由于水的低挥发性，静态接触角（Static Contact Angle）随温度只有轻微变化。

4. 理论模型与实验验证

基于能量守恒原理构建了最大扩散因子与滴热传递效能（Effectiveness）的理论模型。这些模型整合了 Weber 数、Reynolds 数、Bond 数与蒸发质量数参数，较好地捕捉了实验趋势（误差范围分别为±8% 和 ±20%）。

研究结论与意义

• 本研究明确了液滴动态与热传递行为在多液滴冲击高温表面过程中的机制，尤其揭示了滴撞滴情境下的冷却效率下降与扩散行为变化。
• 在工业应用中，这项研究具有指导意义，可进一步优化喷雾冷却、药片涂层、燃料喷射等工艺设计，为多液滴动态建模与控制提供理论基础。
• 在实验手段上，本研究巧妙结合了高速成像、红外热成像与图像后处理分析，为今后复杂流体系统研究提供有力的技术工具。

研究亮点

1. 采用连续两液滴冲击的特殊实验设计，进一步拓展了对多液滴动态干涉机制的理解。
2. 高精度温度与热流测量揭示三相接触区在液滴蒸发中的重要作用。
3. 提出了一套理论与实验结合的方法，为液滴扩散与热耗量预测提供可靠依据。