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表面張力對乙醇液滴沖擊過冷水平壁面的鋪展動力學(xué)行為的影響(三)
來源:西安交通大學(xué)學(xué)報 瀏覽 1275 次 發(fā)布時間:2025-01-02
為了揭示βmax隨水平壁面過冷度的這一非單調(diào)變化,將βmax分為兩部分,并分別研究各部分與乙醇濃度的關(guān)系。如圖7(a)所示,βmax包含內(nèi)部鋪展無量綱直徑βin-max=Din-max/D0,以及邊緣的無量綱指狀長度ζ=LfmaxD0,其中Din-max為液滴鋪展到最大程度的內(nèi)部鋪展直徑,Lfmax為液滴鋪展至最大的指狀長度。當(dāng)ζ<0.15時,認(rèn)為液滴不形成指狀突起,當(dāng)ζ≥0.15時,認(rèn)為液滴形成指狀突起。
圖7 液滴形狀簡化與最大內(nèi)部鋪展因子和無量綱手指狀突起隨水平壁面過冷度的變化
βin-max與乙醇濃度的關(guān)系如圖7(b)所示。βin-max隨著水平壁面過冷度的增大呈現(xiàn)持續(xù)減小的變化趨勢,這是由于經(jīng)過換熱,液滴的表面張力和黏度均增大,阻礙了液滴的鋪展動力學(xué)行為。相反的,ζ隨水平壁面過冷度的升高呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢,這是由于水平壁面過冷度增加,觸發(fā)了更劇烈的換熱,增大了液滴的密度,使得液滴邊緣與空氣的密度差增大,導(dǎo)致了瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的加劇。因此,液滴的最大鋪展程度是由內(nèi)部鋪展程度βin-max和無量綱指狀長度ζ共同決定的。當(dāng)水平壁面過冷度低于24.0K時,βin-max的下降趨勢占主導(dǎo),使得βmax隨水平壁面過冷度升高而下降;當(dāng)水平壁面過冷度高于24.0K時,ζ的上升趨勢占主導(dǎo),使得βmax隨水平壁面過冷度升高而增大。tmax與水平壁面過冷度的關(guān)系和βin-max與水平壁面過冷度的關(guān)系類似,均為單調(diào)遞減,說明鋪展時間不是唯一引發(fā)液滴鋪展程度與水平壁面過冷度非單調(diào)關(guān)系的因素。
2.3動力學(xué)參數(shù)表征模型
針對液滴沖擊水平壁面的最大鋪展因子和最大鋪展時間,眾多學(xué)者開展了一系列定量研究,以期探究液滴沖擊水平壁面的鋪展動力學(xué)行為定量表達(dá)式。
如表1所示,Bayer和Megaridis認(rèn)為液滴沖擊水平壁面的最大鋪展因子與韋伯?dāng)?shù)、奧內(nèi)佐格數(shù)有關(guān),并提出了相關(guān)關(guān)聯(lián)式。Roisman認(rèn)為最大鋪展因子與雷諾數(shù)、韋伯?dāng)?shù)均有關(guān),他采用半假設(shè)半理論的方法,從動量守恒理論出發(fā),提出了最大鋪展因子的表達(dá)式。針對最大鋪展時間,Wildeman等認(rèn)為,最大鋪展時間與最大鋪展因子有關(guān),結(jié)合實驗數(shù)據(jù),對最大鋪展時間進(jìn)行了修正。Shang等探究了水滴沖擊過冷水平壁面的鋪展動力學(xué)行為,并將水平壁面過冷度引入最大鋪展時間模型,重新定義無量綱過冷溫度
利用表1中的模型,對乙醇液滴沖擊過冷水平壁面的最大鋪展時間和最大鋪展因子進(jìn)行預(yù)測,并采用相對平均偏差δ為評價指標(biāo),衡量不同公式的預(yù)測效果
式中:tmax,pre和βmax,pre為使用各模型的最大鋪展時間和最大鋪展因子預(yù)測值;tmax,exp和βmax,exp為最大鋪展時間和最大鋪展因子實驗值。如圖8所示,不同公式的預(yù)測結(jié)果不同,對于最大鋪展因子,盡管不同學(xué)者提出的表達(dá)式對實驗結(jié)果的預(yù)測準(zhǔn)確率均較好,單個數(shù)據(jù)點的偏差均在20%以內(nèi),然而由于表達(dá)式的限制,無法針對液滴沖擊不同水平壁面過冷度的實驗工況進(jìn)行預(yù)測,存在一定缺陷。對于最大鋪展時間,Huang和Chen等人提出的表達(dá)式預(yù)測效果較差,Wildeman等提出的表達(dá)式預(yù)測效果較好,相對平均偏差為12.32%,但由于其表達(dá)式內(nèi)不包含水平壁面過冷度的影響因素,因而預(yù)測效果略差于Shang等提出的表達(dá)式,其相對平均偏差為6.05%。綜上所述,現(xiàn)有最大鋪展時間的表達(dá)式能較好預(yù)測乙醇液滴沖擊過冷水平壁面的鋪展動力學(xué)行為,但最大鋪展因子表達(dá)式仍需進(jìn)一步探索。
3、結(jié)論
本文探究了乙醇液滴沖擊過冷水平壁面的鋪展動力學(xué)行為,并分析了表面張力和水平壁面過冷度對鋪展動力學(xué)行為的影響,結(jié)果如下:
(1)低表面張力液滴沖擊過冷水平壁面會發(fā)生飛濺,形成的子液滴向各個方向散落;
(2)水平壁面過冷度的增大使得最大鋪展時間一直減小;
(3)水平壁面過冷度增加時,液滴經(jīng)過換熱,其邊緣的密度差與空氣密度差增加,促進(jìn)了瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的形成,造成了水平壁面過冷度對最大鋪展因子的非單調(diào)性影響;
(4)現(xiàn)有的最大鋪展時間模型能夠較好地預(yù)測乙醇液滴沖擊過冷水平壁面的最大鋪展時間,相對平均偏差為6.05%,然而由于現(xiàn)有模型未考慮水平壁面過冷度,最大鋪展因子不能被很好的預(yù)測。





