1.實(shí)驗方法

1.1可視化實(shí)驗系統

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

圖1實(shí)驗裝置示意圖

在本實(shí)驗中，將兩塊直徑為10cm的圓形鋁板沿著(zhù)垂直方向放置，其間隔固定為20mm。在上極板中心位置開(kāi)一個(gè)直徑為5mm的孔口，以便液滴從上極板上方滴落，穿過(guò)上極板與下極板發(fā)生撞擊行為。為了實(shí)現垂直電場(chǎng)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(chǎn)生了一個(gè)垂直電場(chǎng)和一個(gè)帶電的基底。此外，不銹鋼針管（G24，外徑0.55m，內徑0.27mm）通過(guò)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(shí)驗的影響，將針管作接地處理，確保液滴在進(jìn)入電場(chǎng)之前不攜帶任何感應電荷。

實(shí)驗中，通過(guò)將液滴釋放高度從25 mm調整到65 mm來(lái)改變液滴的撞擊速度，根據撞擊前兩個(gè)連續圖像的移動(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(guò)調節高壓電源的輸出電壓U(0～30 kv)來(lái)控制電場(chǎng)強度E(

)。利用高速相機以每秒4000幀的速度記錄液滴在電場(chǎng)作用下的整個(gè)撞擊過(guò)程，從液滴的鋪展、回縮運動(dòng)開(kāi)始，隨后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(chǎn)生任何熱效應的冷光源照射液滴撞擊過(guò)程。整個(gè)實(shí)驗過(guò)程均在室溫環(huán)境下進(jìn)行，并將所有測量設備均進(jìn)行接地處理防止靜電積累。此外，為了排除實(shí)驗的偶然性，在每一個(gè)撞擊條件下都進(jìn)行了至少三次的重復實(shí)驗，從而減小實(shí)驗測量數據誤差。

1.2實(shí)驗參數分析

本實(shí)驗選取去離子水作為研究對象，鑒于其導電率極低，因此可以認為去離子水在進(jìn)入電場(chǎng)且未撞擊壁面之前，幾乎不受電場(chǎng)力的影響。實(shí)驗中，液滴在下落過(guò)程中受到重力的影響不再是一個(gè)標準的球體，可近似為橢圓體，因此通過(guò)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)驗中液滴的D0為2.65±0.05 mm，由多次不同電場(chǎng)強度條件下的實(shí)驗圖像測量并計算得到。在研究電場(chǎng)強度和韋伯數的影響時(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(chǎng)強度、低韋伯數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(wú)量綱韋伯數We、電毛細力Cae來(lái)描述液滴撞擊過(guò)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，r為液滴半徑，表征靜電力與表面張力之比。

為了分析不同參數對液滴撞擊過(guò)程的影響，采用無(wú)量綱鋪展因子α、無(wú)量綱拉伸系數β和無(wú)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.結果與分析

2.1垂直電場(chǎng)對液滴撞擊親水表面的影響

2.1.1模態(tài)

當液滴與親水表面發(fā)生撞擊后，動(dòng)能會(huì )促使液滴在水平方向上發(fā)生擴散。一旦液滴達到其最大鋪展狀態(tài)，由于表面能量最小化理論，表面能將轉化為動(dòng)能驅動(dòng)液滴回縮，并在此過(guò)程中，隨著(zhù)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(chǎng)強度E下撞擊親水表面的實(shí)驗模態(tài)圖。從圖中可以看出，無(wú)論電場(chǎng)是否存在或電場(chǎng)強度如何變化，液滴撞擊下極板過(guò)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 )在慣性效應下迅速向外鋪展，直至達到最大鋪展狀態(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?，并且伴隨著(zhù)表面張力的作用開(kāi)始向中心回縮。當回縮到一定高度時(shí)，在不同的電場(chǎng)強度下，液滴會(huì )呈現出不同的拉伸模態(tài)。

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

如圖2a所示，在沒(méi)有電場(chǎng)情況下，當液滴回縮到最大高度時(shí)開(kāi)始振蕩階段，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的振蕩后，多余的能量被粘性耗散所消耗，液滴最終趨于穩定。不同于液滴在重力場(chǎng)中撞擊親水表面，電場(chǎng)作用下液滴撞擊親水表面出現的現象更加復雜，尤其是拉伸階段的變化。通過(guò)改變電場(chǎng)強度的實(shí)驗現象顯示：隨著(zhù)場(chǎng)強的增大，液滴撞擊后的拉伸階段分為三種模態(tài)。當We=17.8時(shí)，如圖2b所示(E=4kV/cm)，當外加電場(chǎng)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(wú)電場(chǎng)，液滴在電場(chǎng)中會(huì )出現明顯的拉伸階段，液滴頂點(diǎn)距離基板的高度增大。當外加電場(chǎng)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，隨后頂端會(huì )出現輕微收縮，導致液滴頸部發(fā)生斷裂，形成較大的子液滴，并且分離出的子液滴將繼續向上移動(dòng)。如圖2d所示(E=6.5kV/cm)，當外加電場(chǎng)足夠強時(shí)，液滴產(chǎn)生第三模態(tài)：液滴頂部受電場(chǎng)力影響呈錐形狀，隨后被拉伸出很長(cháng)的細絲，拉伸后的液滴頂端呈噴射狀態(tài)，最終細絲斷裂形成大量大小不均的子液滴。