液滴撞击固体热表面的研究综述

王旭东 范欣琪 黎志伟 王逸飞 邓梓龙

东南大学能源与环境学院

0 引言

液滴撞击热表面现象普遍存在并被广泛应用于动力机械、材料科学、农业、化工等领域[1-2]，一方面，液滴冲击可增强液滴对壁面的冷却效果，如轧钢、金属铸造等工艺中常见的喷雾冷却、喷淋冷却技术，具有易实现、换热能力强、换热系数分布均匀等优点。另一方面，液滴碰撞会对一些工业装置产生负面影响，如在高速的柴油机或缸内直喷的汽油机中，大量喷雾油滴碰壁形成壁面油膜将引起冷起动工况，并造成有害排放[3-6]。总之，不同领域对液滴撞击热表面后的形态要求不尽相同，因而对液滴撞击热表面过程进行系统研究非常有必要。

液滴撞击热表面体表面的现象非常复杂，它不仅是一个流体动力学问题，而且还和热表面物理学有关。液滴撞击热表面后，部分表面发生自由流动，同时与热表面或空气间产生强烈的热、质交换[7-10]，导致液滴发生铺展，反弹甚至飞溅等形态变化。这种变化不仅与液滴自身的特性，如液滴的大小、表面张力等有密切联系，而且还和撞击热表面的性质如热表面的形状，表面粗糙度，表面温度等因素有关[11]。

目前已有的文献研究主要集中在绝热冲击动力学特征上，但对液滴撞击热表面前后的形态变化规律和热交换过程缺乏较具条理性的总结，因此本文将对液滴在撞击固体热表面的过程中的形态演化规律，传热性能及影响因素进行综述，深入了解液滴撞击热表面过程涉及的液滴动力学行为及液滴与热壁面间的传热传质行为，以期为冷却技术、化工技术、等技术领域遇到的相关问题提供帮助。

1 液滴撞击过程中的形态演化

不同条件下液滴撞击固体表面过程中的液滴形态变化特征不尽相同，国内外学者对此已展开了大量的研究。Teodori E等人[12]结合数值模拟和实验研究了液滴撞击固体表面过程中的液滴形态变化以及传热特性，得到液滴在不同温度下撞击固体表面的形态变化过程以及温度分布情况。Liang G等人[13]实验观测了单个液滴撞击不同倾角湿润表面上的动力学行为，获得了液滴扩散，液滴喷射薄片，飞溅，反弹和部分反弹几种撞击现象。Hamdan K S 等人[14]研究了液滴撞击Leidenfrost温度以上高温表面的行为。结果表明，We数小于30时，液滴撞击热表面反弹后不破裂成小液滴，而We数高于极限值时，液滴分裂成小的二次液滴。Cheng Y等人[15]建立了液滴冷却瞬态模型，研究了撞击速度，表面张力，初始液滴半径，接触角和液滴粘度对液滴铺展的影响。结果表明随着冲击速度，表面张力和初始半径的增加或接触角和液体粘度的降低，液滴的铺展速率将增加。

鉴于雾化的重要性，前人对液滴撞击固体热表面时产生的液滴破裂行为进行了广泛的研究，但对膜态沸腾状态下喷流破裂现象的认识仍然欠缺。Wu H 等人[16]实验观测了不同 We 数，液滴滴落高度条件下正丁醇撞击到热壁面上的喷射破裂过程。结果表明，We数在14.34～89.13时会发生射流破裂，但 We 数超过反弹极限时，射流破裂现象消失。液滴发生射流破裂时，若We数为14.34～65.20，破裂液滴的数目先随 We数的增加而增加，然后随We数增加而减少。破裂液滴的长度表现为先随We数缓慢增加，然后急速下降，最后再增加。破裂时间与Rayleigh不稳定性理论一致，但是撞击到受热表面时的射流破裂现象与 Rayleigh 不稳定性理论存在很大差异。Gradeck M 等人[17]建立了液滴撞击热壁的铺展和回缩过程理论模型，估测了该过程中的传热系数。另外，他们还通过实验测定了液滴撞击温度高于 Leidenfrost 点的热壁面时壁面上的传热系数。

液滴撞击热表面过程中液滴的形态演化规律与多种因素有关，不同实验条件下液滴撞击热表面的现象不尽相同。很多学者针对不同的影响因素以及不同的初始条件，通过不同的实验方法，得到了可靠的结论，通过数学模型预测其形态演化规律的研究并不多见，这一方面还需要更加深入的研究。

2 主要影响因素

2.1 表面润湿特性

由于表面润湿特性直接影响液滴在热壁面上的铺展行为，研究人员针对表面润湿性对液滴撞击热壁面行为的影响作用机理开展了一系列研究。Jin M K等人[18]研究了疏水条纹对液滴和热壁面换热性能的影响，发现平行条纹表面具有比交叉条纹表面更高的临界热流密度，且每个方向的条纹间距越宽，临界热流密度更高。Crockett J 等人[19]选取了亲水，超亲水，疏水，超疏水四种表面，发现对于任意 We数，液滴撞击亲水或超亲水表面时在固- 液界面处更容易形成蒸汽覆盖层。相比于其他类型的表面，撞击在超疏水表面上时不会发生强烈的雾化。Khojasteh D等人[20]观测了液滴撞击超疏水刚性表面的动力学行为，获得了沉积，瞬时飞溅，电晕飞溅，后退分解，部分反弹和完全反弹 6 种行为，其中，具有较大粗糙度的表面，更有可能产生反弹现象，带有十字形纹理柱体的表面表现出最佳的反弹能力。

目前的研究中，对具有不同润湿特性的非均质表面研究较少。Zhao J等人[21]基于多体耗散粒子动力学对化学非均质表面（具有不同润湿性能）上液滴撞击和铺展行为进行了数值模拟。他们发现，当非均质表面粘滑运动分数 Φlic=0.3 时，撞 击速度越大，液滴铺展直径越大；当 Φlic= 0.7时，会 出现铺满现象。此外，粘 滑特性运动只出现在非均质表面，而不会在均质表面出现。Chen H等人[22]发现添加1-辛醇和2-乙基己醇表面活性剂后，由于表面张力降低，动态 Leidenfrost 温度显着增加。Li X等人[23]研 究发现，在超疏水表面上，当倾斜角小于表面滚动角时，静态接触角较大的表面液滴扩展半径变小。当倾斜角大于表面的滚动角时，滚动角较小的表面上液滴的扩展半径变小。

2.2 表面接触角

大量研究表明，液滴接触角与其蒸发速率之间有密切的联系[24-25]。Semenov S等人[26]认为接触角滞后现象会限制液滴的蒸发。Chandra S等人[27]研究表明借助表面活性剂改变接触角可以增加液滴蒸发速率。Mudawar I等人[28]研究了抛光铝表面水滴对准静态前进接触角的温度依赖性。当Tw＜120℃时，液滴接触角基本保持恒定，但壁面温度Tw＞ 120 ℃时，接触角随温度升高逐渐减小。

2.3 表面粗糙度

Tang C等人[29]观测了液滴（水，癸烷，乙醇和十四烷）在不锈钢表面上的撞击过程，他们发现液滴铺展时，表面粗糙度越大，最大铺展直径越小，We 数越大，液滴扩展速度越快。

2.4 液滴尺寸

大多数研究表明，当固体表面温度Tw＞Leidenfrost 温度时，随着Tw的增加，液滴的寿命逐渐减小。而Xiong T Y和Yuen M C[30]认为，随着Tw的增加，小液滴的寿命减少非常缓慢，或者根本不会减少。Labeish V G[31]指出，在膜沸腾状态下，水滴与壁面的接触仅持续约2.5 ms。Choi K J[32]研究了液滴大小对绕其轴线旋转的加热圆盘的薄膜沸腾传热的影响。在600转/分钟的较低转速下，较大的液滴其传热特性好于较小的液滴。

表面润湿特性、表面接触角、表面粗糙度、液滴尺寸等因素均对液滴撞击热表面的过程中液滴的形态变化具有一定的影响，大多数学者通过实验的方法对其进行了一定的研究，也有少数学者利用数值模拟的方法得到相关的结论，均具有较高的合理性。

3 液滴撞击过程的传热特性

液滴在与壁面接触的过程中会发生剧烈的热质交换，跟大部分沸腾一样，液滴撞击热表面过程中的热传递曲线可以被分为薄膜沸腾，过度沸腾，核沸腾和薄膜蒸发。这些沸腾模式受表面粗糙度的影响，远比传统工质沸腾过程复杂。

Bernardin J D[33]等人绘制了液滴撞击热壁面的沸腾曲线图，其体现出的液滴演化趋势为：（a）表面温度降低，液滴寿命会增加。（b）We数增加，液滴的铺展时间逐渐增加，（c）We 数增加，液滴的破裂更加剧烈。Duan X等人[34]数值模拟空心液滴撞击湿润表面过程，并分析了液滴撞击动力学行为及与热壁面间的传热特性。研究发现，由于内部压力梯度的存在，空心液滴内部存在逆流射流。空心液滴冲击过程中传热平均壁面热通量先增加，达到最大值后减小，在冲击的中间阶段，壁面热通量在空间上呈近似的高斯分布。Jung J等人[35]通过红外测温对液滴与壁面碰撞传热特性进行了研究，结果表明单液滴与壁面传热特性可以分为三种状态：润湿状态，接触反弹状态和非接触反弹状态。Gangtao Liang等[13]发现当热壁面温度低于Leidenfrost温度时，液滴撞击其上会发生剧烈核沸腾，轻微核沸腾和薄膜蒸发三种现象。Fau S等人[36]用细钨丝（直径50 μm）以不同加热速率加热饱和蒸馏水，在脉冲加热期间，随着加热速率的升高，依次出现核沸腾、核沸腾向膜沸腾的过渡、膜沸腾三种现象而在热弛豫阶段，观察到薄膜塌陷的特征有两种：薄膜分裂成核沸腾状态或蒸汽持续减少。

多数研究集中在高于 Leidenfrost 温度的薄膜沸腾状态下的撞击。Dunand P等人[37]则使用双色Laser-诱导荧光测温法研究在高于Leidenfros温度的表面条件下进行的撞击固体表面的水滴传热温度。研究表明：随着温度的降低，液滴对热固体表面的冷却作用强烈下降，更小的液滴冷却效率更高。Wu H 等人[16]利用高速摄影仪研究了远高于 Leidenfrost 温度下正丁醇喷射的动态特性。Kompinsky E 等人[38]研究一次液滴和二次液滴在热的表面上薄膜沸腾区的连续影响和液滴撞击现象。他们认为，由于传热时间短，连续撞击过程中传热效果不明显，传热系数低。而Breitenbach J 等人[39]则在该过程中引入传热预测理论模型，考虑到液滴扩散和固体基质中热边界层的扩展，成功预测了喷雾传热过程中的传热系数。Wu Z H 等人[40]提出了在Leidenfrost温度下一个旋转和平移运动的球形液滴的理论模型。研究了 Leidenfrost 温度下，移动液滴下面的蒸汽膜中的速度，压力场和温度分布。对于给定的表面温度和液滴的初始半径，他们的模型能够确定蒸汽膜的最小厚度，旋转速度，平移速度，传热速率以及液滴半径随时间的变化。

液滴撞击热表面的过程中会有热量的变化，该传热特性对于液滴形态的变化同样有一定的影响，通过研究不同条件下液滴的传热特性对于解决一些实际问题具有很重要的意义。

4 总结与展望

液滴撞击热表面的过程十分复杂，在各大领域应用广泛，且不同领域对液滴撞击热表面的利用方面不尽相同，因而从液滴撞击热表面过程的不同方面进行系统研究尤为重要。

液滴撞击热表面的过程中，多数研究都集中在通过实验，以高速摄像仪观察在不同壁面温度，不同表面倾斜角度，不同撞击速度等不同条件下液滴形态的变化特点，从而得出液滴的形态变化规律，而也有学者提出利用数学模型分析液滴扩散规律，并且与实验分析吻合度很高。液滴撞击热表面的过程受表面润湿特性、表面接触角、表面粗糙度、液滴尺寸等多个因素制约，上文总结了前人关于这几个因素对液滴撞击热表面过程影响的研究，其研究方法主要集中在通过实验观察，而很少会通过数值模拟，因此这方面的工作需要进一步深入。

液滴在撞击热表面的过程中无可避免的会发生热量的交换，很多研究都对此现象做出了很深入的分析，探究了不同的因素对其传热特性的影响，并且建立了很多预测其传热特性的模型，成功预测了传热系数等参数，具有很大的研究意义。

目前来看，对于液滴撞击热表面对温度分布规律的探究以及撞击前后液滴形态的深入了解还比较缺乏。以往一般使用高速摄影仪来观察液滴撞击过程的具体现象，而目前发展出了一些新的方法如全内反射或干涉式高速成像等方法，有助于进一步更加详细的了解撞击过程中的具体现象。