黏性牛顿流体液滴撞击干燥或预湿网面的实验研究

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液滴撞击网面现象广泛存在于自然界和一系列工农业应用中, 如喷涂、防护衣物开发、传热、印刷、两相分离、口罩的开发与使用和农药喷洒等. 液滴撞击网面经历复杂的动态过程, 除了在网面上产生液滴撞击固体表面时的飞溅、铺展和反弹现象外, 还会在网面下产生穿透和破碎, 形成二次液滴. 液滴撞网结果通常分为以下3种: 韦伯数较低时, 撞击液滴在网面上扩散, 不穿透网面, 定义为不穿透; 在韦伯数较高时, 液滴撞击网面后在网面下方形成液指, 液指不断裂并最终回缩到网面上表面, 定义为不完全穿透; 进一步提高韦伯数到大于某一临界值Wep, 液指会破裂并在网面下产生二次液滴, 这种现象被定义为完全穿透.

液滴撞击网面产生的二次液滴在有些场合是需要的, 在另一些场合又会产生负面影响, 因而工程中存在认清其规律和机理, 从而实现调控的迫切需求. 如, 对于防护衣物开发和口罩的使用, 二次液滴的出现会显著降低防护效果; 而对于喷涂和印刷, 二次液滴是有助于用更少液体实现更大覆盖面积的目标的. 临界韦伯数Wep通常被用来界定从不完全穿透到完全穿透的转变, 当撞击韦伯数大于Wep时, 完全穿透现象出现, 撞击会形成二次液滴; 反之, 撞击不会形成二次液滴. 对于特定的液滴, 也可用临界速度Up来界定两种现象的转变.

随着高速摄影技术的发展, 直接观测液滴撞网现象变得可能, 对该现象的研究在过去的20年中引起了学者们的广泛关注. Lorenceau等对液滴撞击单孔进行研究, 首次定义了Up, 并提出了一个基于动压和毛细压力平衡的穿透预测模型, 还根据实验结果拟合了模型中的系数. 此后, 类似模型被广泛应用于分析网面材料、网面润湿性、网面形态、网面倾角和网面预湿等因素对临界韦伯数Wep或速度Up的影响, 建立了适应这些特定因素的穿透预测模型.

前述研究都是基于低黏性液滴(大部分是水)撞击开展的, 关注点仍是网面属性对撞击结果的影响. 液滴属性对撞击结果的影响最近也引起了学者们的注意, 如Blackwell等、Mehrizi等研究了非牛顿流体液滴撞击网面的现象和规律; Wang等和Vontas等采用数值模拟方法研究了液滴黏性的影响; Abouelsoud等实验研究了不同黏性的低表面张力硅油滴撞击亲油网的现象和规律, 预测了最大液指长度. 然而, 前述研究都没有关注网面预湿的影响, 实际应用中的网面只要经过一次液滴撞击, 就会被预湿; 针对预湿的研究虽有开展, 但是都没有研究液滴黏性的影响, 尤其是大表面张力液滴黏性的影响.

科研人员利用高速阴影成像技术, 研究了大表面张力液滴(甘油水溶液)黏性、网面尺寸和网面预湿对液滴撞网结果的影响, 获得了系列条件下的最大液指长度和形成完全穿透所需的临界参数, 分析了关键因素的影响规律和机制, 建立了考虑液滴黏性、网面尺寸和网面预湿的最大液指长度和形成完成穿透所需临界参数的预测模型, 预测结果与实验结果吻合良好, 为工程应用提供了实验依据和理论工具.

本文通过可视化实验研究了10种不同黏性的液滴撞击5种不同结构的干燥和预湿网面形成液指和二次液滴的演化规律, 通过理论分析了相应机理, 并建立了预测模型, 获得主要结论如下:

(1)液滴撞击干燥网面后形成的最大液指长度和液滴完全穿透干燥网面所需的临界速度都随网孔宽度减小、液滴黏性增加而减小;

(2)网面预湿可以完全抑制液滴撞击网面后的不完全穿透和完全穿透, 预湿液膜高度越高抑制效果越明显;

(3)建立了考虑液滴黏性、网孔宽度和网面预湿的液滴撞击网面后形成最大液指长度及出现完全穿透临界参数的理论预测模型, 模型预测结果与实验结果吻合良好.

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