复合液滴撞击动力学实验研究

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液滴撞击现象广泛存在于自然界及工业生产中,例如雨滴撞击地面,喷墨打印等。前人对液滴撞击的研究主要集中在单相液滴,相较而言由多相流体组成的复合液滴尚未受到太多的关注。鉴于其在细胞打印,药物输送等方面的潜在应用,有必要开展对复合液滴撞击现象的探究,发现其背后的机理,对实际应用做出指导。本文主要从实验出发,研究了复合液滴撞击壁面的动力学过程,主要内容可分为以下两个部分:(1)液—液复合液滴撞击超疏水表面发现不同撞击速度下液滴发生的两种模态,即液滴完整反弹和底部液膜破裂现象,通过改变外相液体的粘度μ和内外液滴的直径比α获得了两种模态关于韦伯数和直径比的相图。发现在实验参数范围内液滴发生底部液膜破裂的临界阈值随着μ和α的增加而提高,借鉴前人的理论对此做出了定性的解释。考察复合液滴最大铺展系数,发现不同直径比下的复合液滴和单相液滴几乎没有差异,和前人的数值模拟结果对比之后,我们认为内液滴在复合液滴中的高度位置对最大铺展系数存在显著影响。通过修正无量纲参数使前人关于单相液滴最大铺展系数的公式适用于复合液滴,并进行了实验验证。(2)气—液复合液滴撞击超疏水表面观察到液滴完整反弹和空腔破裂两种模态,发现在实验参数范围内液滴发生空腔破裂的临界阈值随着μ的减小和α的增加而降低,通过模型定性解释了发生这一趋势的原因。研究了最大铺展系数βm的变化,发现随着直径比α的增加,βm和单相液滴相比有明显的减小。借鉴液—液复合液滴的处理方式及前人的数值模拟结果,对无量纲参数进行修正,使单相液滴关于βm的公式适用于气—液复合液滴。和前人的数值模拟作对比,发现拟合曲线和实验结果存在一定差异,认为是空腔位置的不同对结果造成了一定影响。另外,研究了复合液滴在撞击过程中的接触时间Tc。发现与单相液滴相比,气—液复合液滴的接触时间均有大幅度的减小,且随着α的增加,接触时间呈下降趋势,提出了无量纲接触时间Tc/τ关于α的表达式,与实验结果符合较好。
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