液滴撞击不同深度液池后的运动形态特征及能量分析

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液滴撞击液面是自然界和工业领域常见的现象,广泛存在于喷墨打印、喷淋冷却(如油池、壁面等)、燃油喷射、农业灌溉以及消防灭火等多种场景。深入理解该现象的特征及相关机理有重要的应用价值和学术意义。本文采用实验和理论分析相结合的方法,用高速摄像机记录了不同直径的液滴以不同速度撞击不同深度液面的运动过程,基于实验现象和实验数据,重点研究了韦伯数We、弗劳德数Fr、液滴直径d和液池深度h0对液滴撞击液面后运动过程的影响。液滴撞击液坑会产生液冠、液坑、液柱、由液柱分离的次生液滴、气泡等多种运动形态。液滴撞击深液池,液坑能够充分发展,形成完整液坑;而液滴撞击浅液池时,受到底部影响,液坑不能充分发展,形成非完整液坑。完整液坑最大水平长度L和最大深度H呈线性关系,随韦伯数We或弗劳德数Fr增大而增大;非完整液坑无量纲最大水平长度L/d随弗劳德数Fr或韦伯数We增大而增大。韦伯数We和液池深度h0不变时,完整液坑无量纲最大水平长度L/d和无量纲最大深度H/d随液滴直径增大而减小;弗劳德数Fr和液池深度h0不变时,无量纲最大水平长度L/d随液滴直径d增大而增大,无量纲最大深度H/d在液池较深时随液滴直径d增大而增大,在液池较浅时随液滴直径d增大而减小。无量纲最大水平长度L/d和无量纲最大深度H/d均随液池深度h0的减小而先增大后减小,液池深10 mm时最大。非完整液坑无量纲最大水平长度L/d在韦伯数We不变时,随液滴直径d增大而减小;在弗劳德数Fr不变时随液滴直径d增大而增大。无量纲最大水平长度L/d随液池深度h0的增大而减小。液滴直径、液滴速度和液池深度对液柱及液柱破碎生成的次生液滴均有影响。液滴撞击深液池时,液柱较粗且低,生成一两个较大的次生液滴。液滴撞击浅液池时,液柱更细、更高,生成多个较小的次生液滴。而液滴撞击更浅的液池(5 mm)时,相比深为10 mm的液池,其液柱更低,次生液滴更少。建立了完整液坑和非完整液坑的能量转化模型,并在此基础上对完整液坑和非完整液坑达到最大时系统的重力势能U和表面能ES进行了统计分析,结果表明:1)无论是完整液坑还是非完整液坑,当液坑达到最大时,系统的重力势能U和表面能ES均随总能量E增大而线性增大;2)完整液坑最大时重力势能与表面能之和占总能量的比例(U+ES)/E随着液池深度增大而先增大后减小,在液池深度较小时,随液滴直径增大而增大,在液池深度较大时,比例接近,约为0.51;3)非完整液坑最大时重力势能与表面能之和占总能量的比例(U+ES)/E随液滴直径增大而减小。
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