1.2數據處理

實(shí)驗數據處理方法如圖2所示。首先，使用圓形薄片進(jìn)行標定，以確定高速攝像機鏡頭的放大比例，圓形薄片的水平直徑和垂直直徑分別為L(cháng)h和Lv，如圖2(a)所示。其次，根據乙醇液滴即將接觸過(guò)冷水平壁面的最后3幀計算沖擊速度，如圖2(b)所示，沖擊速度的計算公式為

式中:X3f為乙醇液滴最后3幀移動(dòng)的距離;t2f為移動(dòng)時(shí)間。(a)圓形薄片兩方向長(cháng)度測量(b)液滴沖擊速度測量(c)液滴初始直徑測量(d)最大鋪展因子測量圖2實(shí)驗數據處理方法

最后，使用PFV軟件針對液滴的初始直徑及鋪展過(guò)程中的參數進(jìn)行測量，如圖2(c)、2(d)所示，分別從水平與垂直兩個(gè)角度進(jìn)行測量，并根據圓形薄片的水平和垂直角度放大比例，計算得到各物理量的真實(shí)值，計算公式為

式中:Xv為垂直測量值;Xh為水平測量值。

根據實(shí)驗數據測量值，乙醇液滴沖擊過(guò)冷水平壁面的雷諾數Re=ρU0D0/μ為2795，韋伯數We=ρU20D0/σ為354，奧內佐格數Oh=We/Re為0.0067。雷諾數代表慣性力與黏性力的比值，韋伯數代表慣性力和表面張力的比值，奧內佐格數代表黏性力與表面張力的比值。

2、結果討論

2.1乙醇液滴沖擊過(guò)冷水平壁面的現象

乙醇液滴沖擊過(guò)冷水平壁面表現出兩種不同模式。定義水平壁面過(guò)冷度為ΔT=273.15-Ts，其中Ts為水平壁面溫度，實(shí)驗涉及的過(guò)冷度有7個(gè)，分別為0、6、12、18、24、30和36K。如圖3所示，乙醇液滴以2.43m/s的初速度沖擊過(guò)冷度ΔT=6.0K的水平壁面時(shí)，在沖擊后立即鋪展，同時(shí)在液滴邊緣發(fā)生飛濺。子液滴向周?chē)鱾€(gè)方向散落，經(jīng)歷一段時(shí)間的鋪展后逐漸趨于穩定，這一模式被稱(chēng)為模式Ⅰ飛濺-鋪展。當水平壁面過(guò)冷度逐漸增大，如圖4所示，ΔT=30.0K時(shí)，乙醇液滴沖擊過(guò)冷水平壁面后同樣發(fā)生鋪展，同時(shí)子液滴飛濺，但隨著(zhù)鋪展程度增大，液滴邊緣在最大鋪展時(shí)間時(shí)出現“手指狀突起”，這一模式Ⅱ被稱(chēng)為飛濺-突起。

乙醇液滴沖擊過(guò)冷水平壁面會(huì )在兩個(gè)階段出現飛濺或手指狀突起，但兩者形成的機理有所不同:前者是由于乙醇液滴的表面張力較小，液滴在沖擊水平壁面的一瞬間，慣性力大于表面張力，液滴邊緣無(wú)法保持原狀，因而造成了飛濺;后者是由于液滴沖擊過(guò)冷水平壁面，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間換熱，液滴底部及邊緣的溫度降低，使得流體的密度增大，加劇了液滴與空氣的密度差，在邊緣前進(jìn)速度的作用下，觸發(fā)了液體-氣體界面的瑞利-泰勒不穩定性，形成了手指狀突起?？偠灾?，水平壁面過(guò)冷度較低時(shí)，乙醇液滴沖擊形成模式Ⅰ飛濺-鋪展;水平壁面過(guò)冷度較高時(shí)，沖擊現象向模式Ⅱ飛濺-突起轉變。

2.2水平壁面過(guò)冷度對鋪展動(dòng)力學(xué)行為的影響

為了探究水平壁面過(guò)冷度對液滴沖擊的影響機制，定義無(wú)量綱鋪展因子β=D(t)/D0，其中D(t)為液滴每一時(shí)刻的直徑，Dmax為液滴能達到的最大鋪展直徑，對應的最大鋪展因子為βmax=Dmax/D0。圖5展示了不同水平壁面過(guò)冷度下，乙醇液滴沖擊水平壁面的鋪展因子β隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)?？梢钥闯?，乙醇液滴沖擊不同過(guò)冷度水平壁面均在1.0ms內發(fā)生破碎-飛濺，在這段時(shí)間內，鋪展速率近似為線(xiàn)性，在飛濺后，β突然減小，隨后鋪展因子繼續增，鋪展速率逐漸減小，最終趨于0，液滴形態(tài)不再發(fā)生變化。

根據液滴鋪展隨時(shí)間的變化，提取了不同過(guò)冷度下的βmax和tmax并繪制了圖6。如圖所示:隨著(zhù)水平壁面過(guò)冷度的增大，βmax呈現了先減小后增大的非單調變化趨勢，并在水平壁面過(guò)冷度為18.0~30.0K時(shí)達到最小值;不同于βmax的變化趨勢，tmax呈現逐漸減小的趨勢，這是由于隨著(zhù)水平壁面過(guò)冷度的增加，換熱加劇，液滴的溫度降低，這使得密度、黏度、表面張力增加，抑制了最大鋪展時(shí)間。根據Shang等提出的換熱模型，將乙醇液滴看作一個(gè)整體，并將液滴沖擊過(guò)冷水平壁面的過(guò)程看作圓柱形不斷“變矮”和“變寬”的過(guò)程，可以得到乙醇液滴沖擊過(guò)冷水平壁面的溫度降低范圍為1.8~3.7K。