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表面张力对液滴形变的影响规律

招财猫开奖网站 www.betterbodygear.com 来源:化工学报 浏览 319 次 发布时间:2023-12-12

液滴运动过程中的形状变化对液滴的蒸发、燃烧等过程有重要影响,表面张力是影响其形状变化的因素之一。为研究表面张力对液滴形变的影响规律,采用低浓度的表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠SDBS)配制表面张力为30~72 mN·m?1的水溶液。利用不同外径的针管得到3~5 mm粒径的液滴。高速摄像机(Phantom V211,1000 pps,800×600 pixel)对这些液滴在自由落体过程中的形变规律进行了可视化实验研究,得到了关于E?tv?s数(Eo)的半经验关系式。实验结果表明,液滴在自由落体过程中会形成周期性振动形变,振动周期和振幅随表面张力增大而减小。进一步研究发现,初始时液滴形成并断裂所引起的瞬态冲量使液滴内部动量传递进而表现出周期性振动形变。


液滴在气体中运动过程中会因表面受力不均而发生形变。影响液滴形变的因素很多,如粒径、速度、表面张力等。在自然科学和工程技术领域,许多物理过程涉及液滴在气流中的形变,如蒸发冷却、蒸气冷凝、喷雾燃烧、颜料浓缩液的分散、飞沫传播过程等。采取措施如降低液滴表面张力、加快液滴的形态变化是改善喷雾燃烧和蒸发冷却效果的常用技术手段,需要了解相应过程中液滴的形变规律。大多数对气液两相流的数值模拟分析中常假设液滴为球形,但在实际情况中,液滴的形变对受力、蒸发的影响不容忽略。因此通过实验方法研究液滴形变的一般规律对修正数学模型以及优化工程实际应用具有重要意义。

液滴下落形态

液滴垂直滴入静止空气流场下落过程中,受到的质量力为重力(空气与液滴的密度相差很大忽略浮力影响),表面力为曳力和表面张力。特征长度取等体积当量直径de),则液滴的形变特征可由量纲1数(重力与表面张力之比)、We=ρcurelde/σ(曳力与表面张力之比),(惯性力与黏性力之比)、表示。


根据上述量纲1数得到了不同范围内液滴或气泡的形变特征区间,可由此大致判断形状变化。液滴下落过程中,周围流体绕过液滴,初始会在液滴后部形成稳定的线性或者带有涡旋的尾迹。随着Re的不断增大,液滴后部形成非稳态的尾迹剥离使液滴自身发生非稳定性形变即振动现象。对于高黏度比κ,如液滴在气体中运动,当Re≈200时振动现象产生,对于低κ如气泡在液体中运动,产生振动的临界Re≈1000。


对于稳态形变Savic提出了高Re下界面正压平衡公式,Pruppacher等在其基础上进行了修正并确定了不同粒径范围液滴的形变情况。对于非稳态形变,一般常用周期和振幅来描述,Lamb建立了忽略黏性力的液滴自然振动周期的基本模型并得到了Yao等的验证。对于振动周期与尾迹剥离周期的关系,Winnikow等和Edge等分别得到了不同的结论。随着高速摄像技术的发展,实验研究成为揭示非稳态液滴形变振动周期和振幅变化规律的重要途径之一。Kenneth等研究了2.5~4 mm粒径范围的雨滴从25 m自由下落的振幅变化规律,发现液滴在达到终速度前振幅不断减弱,达到终速度后不断增强,最后形变振动与涡旋尾迹剥离达到共振而逐渐趋于稳定。Dubrovskii等研究了纯液滴和两相液滴的形变规律,并得到了Laplace数(Lp)与振动周期之间的关系。Volkov等在Dubrovskii等的基础上分别研究了粒径、瞬时速度、液滴与流场温差对振动周期及振幅的影响。表面张力直接影响液滴的形状,但单纯控制表面张力比较困难,前人研究中多通过改变工质来间接得到表面张力与非稳态形变规律的关系。