液滴撞擊網面現(xiàn)象廣泛存在于自然界和一系列工農業(yè)應用中, 如噴涂、防護衣物開發(fā)、傳熱、印刷、兩相分離、口罩的開發(fā)與使用和農藥噴灑等. 液滴撞擊網面經歷復雜的動態(tài)過程, 除了在網面上產生液滴撞擊固體表面時的飛濺、鋪展和反彈現(xiàn)象外, 還會在網面下產生穿透和破碎, 形成二次液滴. 液滴撞網結果通常分為以下3種: 韋伯數(shù)較低時, 撞擊液滴在網面上擴散, 不穿透網面, 定義為不穿透; 在韋伯數(shù)較高時, 液滴撞擊網面后在網面下方形成液指, 液指不斷裂并最終回縮到網面上表面, 定義為不完全穿透; 進一步提高韋伯數(shù)到大于某一臨界值Wep, 液指會破裂并在網面下產生二次液滴, 這種現(xiàn)象被定義為完全穿透.

液滴撞擊網面產生的二次液滴在有些場合是需要的, 在另一些場合又會產生負面影響, 因而工程中存在認清其規(guī)律和機理, 從而實現(xiàn)調控的迫切需求. 如, 對于防護衣物開發(fā)和口罩的使用, 二次液滴的出現(xiàn)會顯著降低防護效果; 而對于噴涂和印刷, 二次液滴是有助于用更少液體實現(xiàn)更大覆蓋面積的目標的. 臨界韋伯數(shù)Wep通常被用來界定從不完全穿透到完全穿透的轉變, 當撞擊韋伯數(shù)大于Wep時, 完全穿透現(xiàn)象出現(xiàn), 撞擊會形成二次液滴; 反之, 撞擊不會形成二次液滴. 對于特定的液滴, 也可用臨界速度Up來界定兩種現(xiàn)象的轉變.

隨著高速攝影技術的發(fā)展, 直接觀測液滴撞網現(xiàn)象變得可能, 對該現(xiàn)象的研究在過去的20年中引起了學者們的廣泛關注. Lorenceau等對液滴撞擊單孔進行研究, 首次定義了Up, 并提出了一個基于動壓和毛細壓力平衡的穿透預測模型, 還根據實驗結果擬合了模型中的系數(shù). 此后, 類似模型被廣泛應用于分析網面材料、網面潤濕性、網面形態(tài)、網面傾角和網面預濕等因素對臨界韋伯數(shù)Wep或速度Up的影響, 建立了適應這些特定因素的穿透預測模型.

前述研究都是基于低黏性液滴(大部分是水)撞擊開展的, 關注點仍是網面屬性對撞擊結果的影響. 液滴屬性對撞擊結果的影響最近也引起了學者們的注意, 如Blackwell等、Mehrizi等研究了非牛頓流體液滴撞擊網面的現(xiàn)象和規(guī)律; Wang等和Vontas等采用數(shù)值模擬方法研究了液滴黏性的影響; Abouelsoud等實驗研究了不同黏性的低表面張力硅油滴撞擊親油網的現(xiàn)象和規(guī)律, 預測了最大液指長度. 然而, 前述研究都沒有關注網面預濕的影響, 實際應用中的網面只要經過一次液滴撞擊, 就會被預濕; 針對預濕的研究雖有開展, 但是都沒有研究液滴黏性的影響, 尤其是大表面張力液滴黏性的影響.

科研人員利用高速陰影成像技術, 研究了大表面張力液滴(甘油水溶液)黏性、網面尺寸和網面預濕對液滴撞網結果的影響, 獲得了系列條件下的最大液指長度和形成完全穿透所需的臨界參數(shù), 分析了關鍵因素的影響規(guī)律和機制, 建立了考慮液滴黏性、網面尺寸和網面預濕的最大液指長度和形成完成穿透所需臨界參數(shù)的預測模型, 預測結果與實驗結果吻合良好, 為工程應用提供了實驗依據和理論工具.

本文通過可視化實驗研究了10種不同黏性的液滴撞擊5種不同結構的干燥和預濕網面形成液指和二次液滴的演化規(guī)律, 通過理論分析了相應機理, 并建立了預測模型, 獲得主要結論如下:

(1)液滴撞擊干燥網面后形成的最大液指長度和液滴完全穿透干燥網面所需的臨界速度都隨網孔寬度減小、液滴黏性增加而減小;

(2)網面預濕可以完全抑制液滴撞擊網面后的不完全穿透和完全穿透, 預濕液膜高度越高抑制效果越明顯;

(3)建立了考慮液滴黏性、網孔寬度和網面預濕的液滴撞擊網面后形成最大液指長度及出現(xiàn)完全穿透臨界參數(shù)的理論預測模型, 模型預測結果與實驗結果吻合良好.

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