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可視化實驗方法研究電場作用下液滴撞擊表麵的動態行為(二)
來源:力學與實踐 瀏覽 464 次 發布時間:2025-02-17
1.實驗方法
1.1可視化實驗係統
實驗係統示意圖如圖1所示,該係統主要包括:由微流注射泵、注射器和不鏽鋼針管組成的液滴生成係統;由高壓直流電源(JMDC-P30-1mA)和鱷魚夾線組成的靜電電壓係統;由高速相機(Fastcam Mini AX 100-C)和LED燈組成的可視化係統以及數據采集係統。
圖1實驗裝置示意圖
在本實驗中,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生撞擊行為。為了實現垂直電場的形成,將高壓直流電源與下極板相連,上極板作接地處理,這樣的結構產生了一個垂直電場和一個帶電的基底。此外,不鏽鋼針管(G24,外徑0.55m,內徑0.27mm)通過毛細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。為了消除靜電對實驗的影響,將針管作接地處理,確保液滴在進入電場之前不攜帶任何感應電荷。
實驗中,通過將液滴釋放高度從25 mm調整到65 mm來改變液滴的撞擊速度,根據撞擊前兩個連續圖像的移動垂直距離除以圖像一幀時間(0.25 ms)得到撞擊初速度V0,其範圍在0.7~1.129 m/s之間。另外通過調節高壓電源的輸出電壓U(0~30 kv)來控製電場強度E(
)。利用高速相機以每秒4000幀的速度記錄液滴在電場作用下的整個撞擊過程,從液滴的鋪展、回縮運動開始,隨後受靜電力的影響下出現拉伸或彈射行為,直至振蕩結束,采用不產生任何熱效應的冷光源照射液滴撞擊過程。整個實驗過程均在室溫環境下進行,並將所有測量設備均進行接地處理防止靜電積累。此外,為了排除實驗的偶然性,在每一個撞擊條件下都進行了至少三次的重複實驗,從而減小實驗測量數據誤差。
1.2實驗參數分析
本實驗選取去離子水作為研究對象,鑒於其導電率極低,因此可以認為去離子水在進入電場且未撞擊壁麵之前,幾乎不受電場力的影響。實驗中,液滴在下落過程中受到重力的影響不再是一個標準的球體,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。實驗中液滴的D0為2.65±0.05 mm,由多次不同電場強度條件下的實驗圖像測量並計算得到。在研究電場強度和韋伯數的影響時,采用親水表麵,靜態接觸角θ約為73±1°。靜態接觸角定義為固液界麵和氣液界麵之間的夾角。
本文主要研究電場強度、低韋伯數和不同潤濕性對液滴撞擊固體表麵上動力學行為的影響,采用無量綱韋伯數We、電毛細力Cae來描述液滴撞擊過程
(2)(3)
式(2)中ρ為液滴密度,γ為液滴表麵張力,表征慣性力與表麵張力之比;式(3)中ε2為環境介電常數,r為液滴半徑,表征靜電力與表麵張力之比。
為了分析不同參數對液滴撞擊過程的影響,采用無量綱鋪展因子α、無量綱拉伸係數β和無量綱時間τ進行表征
(4)(5)(6)
式中,L為液滴在表麵上的鋪展直徑,H為液滴頂點距離下極板的高度,t為液滴與表麵接觸的某一時刻。
2.結果與分析
2.1垂直電場對液滴撞擊親水表麵的影響
2.1.1模態
當液滴與親水表麵發生撞擊後,動能會促使液滴在水平方向上發生擴散。一旦液滴達到其最大鋪展狀態,由於表麵能量最小化理論,表麵能將轉化為動能驅動液滴回縮,並在此過程中,隨著液滴拉伸至最大高度,其動能耗散殆盡。圖2為去離子水液滴在不同電場強度E下撞擊親水表麵的實驗模態圖。從圖中可以看出,無論電場是否存在或電場強度如何變化,液滴撞擊下極板過程中的鋪展形態演變具有一致性。一旦液滴與表麵發生接觸,液滴便會在慣性效應下迅速向外鋪展,直至達到最大鋪展狀態(t=4.5 ms)。此時,液滴形態從撞擊前的橢圓體變為扁平狀,並且伴隨著表麵張力的作用開始向中心回縮。當回縮到一定高度時,在不同的電場強度下,液滴會呈現出不同的拉伸模態。
圖2去離子水在不同場強下撞擊親水表麵的模態變化圖(We=17.8)
如圖2a所示,在沒有電場情況下,當液滴回縮到最大高度時開始振蕩階段,經過幾個周期的振蕩後,多餘的能量被粘性耗散所消耗,液滴最終趨於穩定。不同於液滴在重力場中撞擊親水表麵,電場作用下液滴撞擊親水表麵出現的現象更加複雜,尤其是拉伸階段的變化。通過改變電場強度的實驗現象顯示:隨著場強的增大,液滴撞擊後的拉伸階段分為三種模態。當We=17.8時,如圖2b所示(E=4kV/cm),當外加電場較弱時,液滴產生第一模態:拉伸後的液滴頂端會由於表麵張力和重力共同作用而收縮,但不同於無電場,液滴在電場中會出現明顯的拉伸階段,液滴頂點距離基板的高度增大。當外加電場適中時,如圖2c所示(E=5.25kV/cm),液滴產生第二模態:液滴拉伸作用得到增強,隨後頂端會出現輕微收縮,導致液滴頸部發生斷裂,形成較大的子液滴,並且分離出的子液滴將繼續向上移動。如圖2d所示(E=6.5kV/cm),當外加電場足夠強時,液滴產生第三模態:液滴頂部受電場力影響呈錐形狀,隨後被拉伸出很長的細絲,拉伸後的液滴頂端呈噴射狀態,最終細絲斷裂形成大量大小不均的子液滴。