《Cooling Effect of Droplet Impacting on Heated Solid Surface》研究综述

作者与出版信息

本文为一篇发表在 *International Journal of Heat and Mass Transfer*（国际热与质量传递期刊）上的原创研究文章，编号为183 (2022) 122070。作者包括 Mingjun Xu、Jiaqing Zhang 和 Ruiyu Chen，分别来自中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室、南京理工大学化工学院及上海建筑科学与技术创新中心等机构。文章于2021年10月被期刊接受，2022年正式在线发表。

研究背景与目的

本研究聚焦于液滴碰撞加热固体表面的动态行为与热传递性能，这在工业领域有着广泛的应用，例如喷雾冷却、喷墨打印、喷涂以及金属淬火等。液滴在加热表面上的动力学行为与传热特性是一个备受关注的课题，尤以冷却效应和能量转换为重点。已有研究表明，液滴碰撞结果主要受液滴性质（如密度、粘性、表面张力、直径等）与固体表面参数（如表面温度及粗糙度）的共同影响。

尽管目前关于液滴动态行为的研究颇多，从液滴“铺展”（flattening）、“反弹”（rebound）到“溅射”（splashing）等多种现象均已有探讨，但对于液滴碰撞表面复杂传热机制、最大铺展直径和液滴蒸发时间等关键特性的定量研究仍显不足。本研究旨在通过非接触测量技术，综合实验、动力学分析与非维度化方法，研究液滴碰撞加热固体表面的冷却效应与热流转移过程，并为其建立系统化行为图谱与数学模型。

研究流程与实验设计

研究的实验部分采用了单一液滴在不同温度固体表面碰撞的实验方法，主要采用热红外成像仪及高速数码录像相机作为测量工具，以观察碰撞行为及定量分析热流转移。以下详细阐述了实验设计的各个环节：

1. 实验装置与测量技术
   组建实验装置，包括液滴生成器、高速摄像设备、LED光源加背景照明、及恒温加热装置。通过注射器推送平针生成单一纯水液滴，其高度可控制在28.5至103.3 cm之间以调整碰撞速度。采用高分辨率相机捕捉液滴碰撞与铺展动态过程，并进行尺寸与速度的精确测量（精度分别为0.01 mm和±0.05 m/s）。液滴的初始平均直径为2.46至5.01 mm，碰撞速度为2.36至4.49 m/s。

2. 实验材料与条件控制
   固体表面选用高导热性的石英玻璃，表面平均粗糙度小于0.05 μm，温度范围设置为100 °C至420 °C，并通过热电偶对表面温度进行实时监测（精度±1 °C）。液滴参数如表面张力、密度及粘度均基于20 °C状态下纯水数据。

3. 碰撞行为与动力学区域的分类
   通过变量控制与长期观测，研究提出了四种典型碰撞行为区域：铺展（Flattening）、起泡（Bubble）、起泡伴随雾化及完全雾化（Atomization）。实验记录了液滴的动态铺展与蒸发进程，并通过高速摄像展示典型行为的时间序列，如碰撞后液膜反卷、气泡生成及雾化喷射等。

4. 定量化参数测量与建模
   利用非维度化分析方法，将液滴物理特性与固体表面温度参数映射至相应无量纲数（比如Weber数、Reynolds数等），从而建立包含关键行为区域的相对完整的“状态图谱”(Regime Map)。研究还定义了液滴最大铺展直径、驻留时间与单位热流密度的相关公式，提供了理论拟合模型及验证测试。

主要研究结果

1. 四种典型液滴碰撞行为
   在不同表面温度下，观察到以下现象：

   • 铺展：140 °C表面温度条件下，液滴迅速铺展形成薄膜，随后逐渐蒸发消失。
   • 气泡生成：216 °C条件下，铺展后的液膜底部快速受热蒸发，形成可视化气泡。
   • 气泡伴随雾化：327 °C条件下，分裂气泡的同时伴随小液滴的垂直方向喷射。
   • 完全雾化：420 °C以上，液膜被彻底分散，数千微小液滴激烈喷射。

2. 液滴动力学图谱
   研究通过参数化分析提出状态图，基于非维度化参数（如 $tw/t{sat}\log_{10}We$ 和 $tw/t{sat}\log_{10}Re$），将气泡与雾化行为区间清晰划分并表达为函数模型，适用于影响碰撞行为的临界条件预测：

$$ \text{Regime} = \begin{cases} Flattening, & tw/t{sat}\log_{10}Re < 4.56 \ Bubble, & 4.56 \leq tw/t{sat}\log_{10}Re < 5.40 \ Bubble \ with \ Atomization, & 5.40 \leq tw/t{sat}\log_{10}Re < 6.14 \ Atomization, & tw/t{sat}\log_{10}Re \geq 6.14 \end{cases} $$

1. 定量非维化分析

   • 液滴最大铺展直径与Weber数呈幂次关系，符合关联公式：$d^* = 0.614 * We^{¹⁄₃}$。
   • 液滴驻留时间与加热表面温度呈负相关，拟合关系为：$\ln \tau = -tw/t{sat}\log_{10}Re + 10.4$。
   • 单位热流密度随加热表面温度与液滴动量的增大而增加，对应关系为：$q” \propto tw/t{sat}\log_{10}Re$。

2. 表面瞬态温度测量
   通过红外成像获取液滴碰撞中心区域的温度分布，绘制出不同时间阶段的降温效果曲线，并量化冷却效能为：$\Delta Tc = 0.699 * t{w,i} - 53.7$。

研究价值与意义

本文创新性地揭示了液滴在高温固体表面碰撞的冷却机制及其动力学行为，对相关学科提供了重要的实验基础。研究结果在优化工业冷却技术、提升喷涂工艺效率以及探索流体动力学中的能量传递机制方面具有重要应用价值。此外，本文提出的状态图谱与数学模型为后续研究与工程开发提供了新的理论工具。

研究亮点

1. 完整细致的液滴碰撞实验设计，首次清晰观察到气泡动态行为。
2. 系统性状态图谱描述多种动态行为的临界条件，并结合非维度化模型给出学术支持。
3. 独特的红外成像技术应用，量化加热表面瞬态温度变化并计算冷却效能。

上述研究为热传递与流体动力学领域提供了坚实的基础和新颖的见解，并拓展了液滴碰撞行为在高温条件下的研究范围。