液滴撞击液面形成的液坑形态特征及其重力势能分析

郭 通，袁德奎，赵丰泽

天津大学 机械工程学院力学系，天津 300350

0 引 言

液滴撞击液面是自然界和工业领域常见的现象。在重力、表面张力、压力和黏性力等多种因素的作用下，液滴撞击液面的过程中会出现飞溅、液冠形成、液坑扩张与收缩、次生液柱生成、液柱破碎为次生液滴以及液滴漂浮等复杂而有趣的现象。

1876年，Worthington 等[1-2]记录了不同下落高度、不同直径的水银与牛奶撞击玻璃后的液滴铺展形状，以瞬时摄影技术拍摄了水滴撞击水与牛奶混合溶液以及牛奶液滴撞击水面的运动过程。此后，研究者对液滴撞击液面问题进行了持续研究，试图描绘其完整图像，并揭示其规律和内在机理。蔡一坤[3]观察到液滴撞击液面过程中的“穿入”“劈裂”和“飞溅”三种现象，总结出发生液滴“穿入”现象的下落高度经验公式，以及飞溅过程中坑径、坑深、形成最大凹坑所需时间、中心柱回弹时间与下落高度的关系。郑哲敏[4]对蔡一坤的实验过程和数据进行了分析，指出“环形穿入”现象是由液滴脱离管口后的自由振动造成的。Rein[5]的研究表明：由于初始速度等条件不同，液滴撞击液面过程中会出现液滴漂浮、反弹、合并和飞溅等现象；在液滴与目标液体合并过程中，液体内部会出现涡环，而在飞溅过程中目标液体内会形成液坑、液冠、液柱等多种形态。Bisighini等[6]通过实验研究了液坑无量纲深度和无量纲宽度随时间的变化过程，从理论上推导出了液坑最大无量纲深度。Ouz 等[7]采用边界单元法对液滴撞击液面过程进行了数值模拟研究，发现在液坑底部会出现气泡卷吸现象。……