1.實(shí)驗(yàn)方法

1.1可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括：由微流注射泵、注射器和不銹鋼針管組成的液滴生成系統(tǒng)；由高壓直流電源(JMDC-P30-1mA)和鱷魚夾線組成的靜電電壓系統(tǒng)；由高速相機(jī)(Fastcam Mini AX 100-C)和LED燈組成的可視化系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在本實(shí)驗(yàn)中，將兩塊直徑為10cm的圓形鋁板沿著垂直方向放置，其間隔固定為20mm。在上極板中心位置開一個(gè)直徑為5mm的孔口，以便液滴從上極板上方滴落，穿過上極板與下極板發(fā)生撞擊行為。為了實(shí)現(xiàn)垂直電場的形成，將高壓直流電源與下極板相連，上極板作接地處理，這樣的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個(gè)垂直電場和一個(gè)帶電的基底。此外，不銹鋼針管（G24，外徑0.55m，內(nèi)徑0.27mm）通過毛細(xì)管連接到微流注射泵上，使液滴以恒定的撞擊速度滴落到下極板。為了消除靜電對實(shí)驗(yàn)的影響，將針管作接地處理，確保液滴在進(jìn)入電場之前不攜帶任何感應(yīng)電荷。

實(shí)驗(yàn)中，通過將液滴釋放高度從25 mm調(diào)整到65 mm來改變液滴的撞擊速度，根據(jù)撞擊前兩個(gè)連續(xù)圖像的移動(dòng)垂直距離除以圖像一幀時(shí)間(0.25 ms)得到撞擊初速度V0，其范圍在0.7～1.129 m/s之間。另外通過調(diào)節(jié)高壓電源的輸出電壓U(0～30 kv)來控制電場強(qiáng)度E(

)。利用高速相機(jī)以每秒4000幀的速度記錄液滴在電場作用下的整個(gè)撞擊過程，從液滴的鋪展、回縮運(yùn)動(dòng)開始，隨后受靜電力的影響下出現(xiàn)拉伸或彈射行為，直至振蕩結(jié)束，采用不產(chǎn)生任何熱效應(yīng)的冷光源照射液滴撞擊過程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程均在室溫環(huán)境下進(jìn)行，并將所有測量設(shè)備均進(jìn)行接地處理防止靜電積累。此外，為了排除實(shí)驗(yàn)的偶然性，在每一個(gè)撞擊條件下都進(jìn)行了至少三次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，從而減小實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)誤差。

1.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析

本實(shí)驗(yàn)選取去離子水作為研究對象，鑒于其導(dǎo)電率極低，因此可以認(rèn)為去離子水在進(jìn)入電場且未撞擊壁面之前，幾乎不受電場力的影響。實(shí)驗(yàn)中，液滴在下落過程中受到重力的影響不再是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的球體，可近似為橢圓體，因此通過下式修正得到液滴初始直徑D0的近似值

式中，Dv為液滴豎直方向上的直徑，Dh為液滴水平方向上的直徑。實(shí)驗(yàn)中液滴的D0為2.65±0.05 mm，由多次不同電場強(qiáng)度條件下的實(shí)驗(yàn)圖像測量并計(jì)算得到。在研究電場強(qiáng)度和韋伯?dāng)?shù)的影響時(shí)，采用親水表面，靜態(tài)接觸角θ約為73±1°。靜態(tài)接觸角定義為固液界面和氣液界面之間的夾角。

本文主要研究電場強(qiáng)度、低韋伯?dāng)?shù)和不同潤濕性對液滴撞擊固體表面上動(dòng)力學(xué)行為的影響，采用無量綱韋伯?dāng)?shù)We、電毛細(xì)力Cae來描述液滴撞擊過程

(2)(3)

式(2)中ρ為液滴密度，γ為液滴表面張力，表征慣性力與表面張力之比；式(3)中ε2為環(huán)境介電常數(shù)，r為液滴半徑，表征靜電力與表面張力之比。

為了分析不同參數(shù)對液滴撞擊過程的影響，采用無量綱鋪展因子α、無量綱拉伸系數(shù)β和無量綱時(shí)間τ進(jìn)行表征

(4)(5)(6)

式中，L為液滴在表面上的鋪展直徑，H為液滴頂點(diǎn)距離下極板的高度，t為液滴與表面接觸的某一時(shí)刻。

2.結(jié)果與分析

2.1垂直電場對液滴撞擊親水表面的影響

2.1.1模態(tài)

當(dāng)液滴與親水表面發(fā)生撞擊后，動(dòng)能會(huì)促使液滴在水平方向上發(fā)生擴(kuò)散。一旦液滴達(dá)到其最大鋪展?fàn)顟B(tài)，由于表面能量最小化理論，表面能將轉(zhuǎn)化為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)液滴回縮，并在此過程中，隨著液滴拉伸至最大高度，其動(dòng)能耗散殆盡。圖2為去離子水液滴在不同電場強(qiáng)度E下撞擊親水表面的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)圖。從圖中可以看出，無論電場是否存在或電場強(qiáng)度如何變化，液滴撞擊下極板過程中的鋪展形態(tài)演變具有一致性。一旦液滴與表面發(fā)生接觸，液滴便會(huì)在慣性效應(yīng)下迅速向外鋪展，直至達(dá)到最大鋪展?fàn)顟B(tài)(t=4.5 ms)。此時(shí)，液滴形態(tài)從撞擊前的橢圓體變?yōu)楸馄綘睿⑶野殡S著表面張力的作用開始向中心回縮。當(dāng)回縮到一定高度時(shí)，在不同的電場強(qiáng)度下，液滴會(huì)呈現(xiàn)出不同的拉伸模態(tài)。

圖2去離子水在不同場強(qiáng)下撞擊親水表面的模態(tài)變化圖(We=17.8)

如圖2a所示，在沒有電場情況下，當(dāng)液滴回縮到最大高度時(shí)開始振蕩階段，經(jīng)過幾個(gè)周期的振蕩后，多余的能量被粘性耗散所消耗，液滴最終趨于穩(wěn)定。不同于液滴在重力場中撞擊親水表面，電場作用下液滴撞擊親水表面出現(xiàn)的現(xiàn)象更加復(fù)雜，尤其是拉伸階段的變化。通過改變電場強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯示：隨著場強(qiáng)的增大，液滴撞擊后的拉伸階段分為三種模態(tài)。當(dāng)We=17.8時(shí)，如圖2b所示(E=4kV/cm)，當(dāng)外加電場較弱時(shí)，液滴產(chǎn)生第一模態(tài)：拉伸后的液滴頂端會(huì)由于表面張力和重力共同作用而收縮，但不同于無電場，液滴在電場中會(huì)出現(xiàn)明顯的拉伸階段，液滴頂點(diǎn)距離基板的高度增大。當(dāng)外加電場適中時(shí)，如圖2c所示(E=5.25kV/cm)，液滴產(chǎn)生第二模態(tài)：液滴拉伸作用得到增強(qiáng)，隨后頂端會(huì)出現(xiàn)輕微收縮，導(dǎo)致液滴頸部發(fā)生斷裂，形成較大的子液滴，并且分離出的子液滴將繼續(xù)向上移動(dòng)。如圖2d所示(E=6.5kV/cm)，當(dāng)外加電場足夠強(qiáng)時(shí)，液滴產(chǎn)生第三模態(tài)：液滴頂部受電場力影響呈錐形狀，隨后被拉伸出很長的細(xì)絲，拉伸后的液滴頂端呈噴射狀態(tài)，最終細(xì)絲斷裂形成大量大小不均的子液滴。