2.3撞擊過程中液滴的能量

液滴撞擊固體表面的過程中，若忽略勢(shì)能的變化，能量在動(dòng)能、表面能、黏性耗散三者之間轉(zhuǎn)換。設(shè)液滴的初始表面能為ES0，初始動(dòng)能為EK0，液滴在撞擊后任意瞬間的表面能為ES，動(dòng)能為EK，黏性耗散為EV。此時(shí)，有關(guān)系式

圖10為不同物性和操作條件下液滴表面能的變化。由圖4(a)、圖7(a)和式(19)均可得到液滴鋪展直徑和鋪展面積隨時(shí)間先增大后減小的一般規(guī)律，且隨著黏度的增加，液滴的鋪展直徑和鋪展面積均減小，液滴表面能增加的速率也在降低。

圖10不同物性和操作條件下液滴表面能的變化

表面能隨著表面張力系數(shù)的減小而減小，表面張力系數(shù)較小時(shí)液滴的鋪展面積較大，表面能的增加量較大，且由于其不發(fā)生回縮，其表面能達(dá)最大值后保持不變。隨著表面張力系數(shù)的增加，在撞擊的初始階段液滴表面能增加的速率變大。

由圖4(c)、圖7(c)和式(19)均可知，隨著撞擊速度的增加，液滴鋪展直徑和鋪展面積增加，從而帶來液滴的表面能增加量的增大。此外，隨著撞擊速度的增大，鋪展過程中液滴表面能增加的速率變大。

2.3.2動(dòng)能

因僅使用高速相機(jī)無法獲取液滴內(nèi)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的速度，故使用液滴質(zhì)心的速度計(jì)算液滴動(dòng)能，如式(21)所示。

式中UC為液滴質(zhì)心的速度。

圖11(a)顯示出具有不同黏度的液滴的動(dòng)能隨時(shí)間先減小后增大的一般趨勢(shì)。在撞擊的初始階段液滴動(dòng)能減小的速率最大，隨著黏度的增加，液滴在鋪展過程中動(dòng)能減小的速度加快，說明隨著液滴黏度的增大，有更多的動(dòng)能耗散在黏性中。

圖11不同物性和操作條件下液滴動(dòng)能的變化

圖11(b)為水和乙醇液滴在撞擊過程中動(dòng)能隨時(shí)間的變化。可以看出，液滴在鋪展過程中動(dòng)能的減小量和減小的速率不隨表面張力系數(shù)而變化。

圖11(c)為不同撞擊速度下液滴動(dòng)能隨時(shí)間的變化。隨著撞擊速度的增加，液滴在鋪展過程中動(dòng)能減小的速度增大。撞擊速度較大的液滴初動(dòng)能較大，在表面張力和黏性力的作用下剩余能量更多，動(dòng)能較大；并且撞擊速度較大的液滴受到的黏性力較大，更多的動(dòng)能耗散在黏性阻力中，致使其動(dòng)能減小的速率增大。

2.3.3黏性耗散

可用式(22)計(jì)算液滴在撞擊過程中能量耗散在黏性中的值

式中，Ux、Uy和Uz分別為液滴內(nèi)流體在x、y和z方向的速度，但本文中無法獲得液滴內(nèi)部的速度分布以及速度的梯度隨撞擊時(shí)間的變化。液滴在撞擊過程中能量耗散在黏性中的值可用式(23)計(jì)算

如圖12(a)所示，具有不同黏度的液滴的黏性耗散占總能量的比例先增加后幾乎保持不變。在撞擊的初始階段，液滴黏性耗散的速率最大。由圖5(a)可知，當(dāng)液滴的黏度增加1000倍時(shí)，液滴的鋪展線速度減小為原來的0.61，液滴鋪展線速度減小的程度遠(yuǎn)小于液滴黏度增大的程度，液滴內(nèi)部速度梯度減小的程度遠(yuǎn)小于液滴黏度增大的程度，則根據(jù)式(22)可得液滴在撞擊過程中的黏性耗散率和黏性耗散速率均隨著黏度的增大而增大。

圖12不同物性和操作條件下液滴黏性耗散的變化

圖12(b)為水和乙醇液滴的黏性耗散隨時(shí)間的變化。由圖5(b)可知，當(dāng)液滴的表面張力系數(shù)減小為原來的0.31時(shí)，液滴的鋪展線速度增加1.18倍，液滴內(nèi)的速度梯度相應(yīng)也有所增加，則根據(jù)式(22)可得乙醇黏性耗散速率大于水液滴黏性耗散速率。

圖12(c)為液滴在不同撞擊速度下的黏性耗散情況。由圖5(b)可知，液滴的撞擊速度增加6.25倍時(shí)，液滴的最大鋪展線速度增加3.14倍，液滴內(nèi)部的速度梯度增加，則根據(jù)式(22)可得液滴在撞擊過程中的黏性耗散率和黏性耗散速率均隨著撞擊速度的增大而增大。

2.3.4能量的計(jì)算

液滴的撞擊過程與質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)類似，因此建立液滴撞擊的彈簧阻尼模型，液滴的質(zhì)量為m，初始直徑為D0，鋪展直徑為D，彈簧的彈性系數(shù)為k(N/m)，阻尼器的阻尼系數(shù)為c(kg/s)，根據(jù)牛頓第二定律可得

式中，h為液滴的鋪展高度。

可根據(jù)式(19)、式(1)、式(26)~(28)計(jì)算液滴表面能。由式(26)可求得液滴的鋪展線速度進(jìn)而求得液滴的動(dòng)能。根據(jù)以上求得的液滴表面能和動(dòng)能以及式(16)可求得液滴的黏性耗散。

圖13為液滴直徑和能量的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比。可以看出，液滴直徑的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的平均誤差約為15%(圖13(a))，液滴表面能的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的平均誤差約為15%(圖13(b))，液滴動(dòng)能的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的誤差較大，最大誤差約為50%(圖13(c))，液滴黏性耗散的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的誤差小于15%(圖13(d))。

圖13液滴直徑和能量的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

3結(jié)論

(1)鋪展直徑和鋪展面積隨時(shí)間變化的一般趨勢(shì)為先增大后減小，鋪展線速度隨時(shí)間變化的一般趨勢(shì)為先在短時(shí)間內(nèi)增加到最大值，隨后逐漸減小到0。隨著液滴黏度的增加，或表面張力的增大，或撞擊速度的減小，液滴的鋪展直徑、鋪展速度和鋪展面積均減小。

(2)在75 < Re < 9000，7 < We < 300時(shí)，可使用關(guān)系式Dmax*=We14和Smax*=0.203Re0.064We0.43分別預(yù)測(cè)液滴的最大鋪展直徑和最大鋪展面積。

(3)在液滴撞擊的過程中，其表面能變化的一般趨勢(shì)為先增大后減小，其動(dòng)能變化的一般趨勢(shì)為先減小后增大，其黏性耗散變化的一般趨勢(shì)為先增大后保持不變。能量在黏性中的耗散主要發(fā)生在撞擊的初始階段。隨著液滴黏度的增加，或表面張力系數(shù)的減小，或撞擊速度的增加，黏性耗散的速率均增加。