摘要:為探究表麵張力對液滴衝擊過冷水平壁麵鋪展動力學行為的影響，搭建了可視化實驗係統，探究了乙醇液滴衝擊過冷水平壁麵的鋪展動力學行為，分析了水平壁麵過冷度對低表麵張力液滴衝擊鋪展動力學行為的影響。實驗中，采用親水矽水平壁麵及較小的衝擊速度以觀測乙醇液滴衝擊過冷水平壁麵的鋪展動力學行為。此外，還比較了不同的最大鋪展因子和最大鋪展時間的典型模型對乙醇液滴衝擊過冷水平壁麵鋪展動力學因子的適用性。結果表明:乙醇液滴衝擊過冷親水水平壁麵的鋪展動力學行為分為飛濺、鋪展、穩定3個階段;最大鋪展時間隨水平壁麵過冷度的增大而減小;水平壁麵過冷度對最大鋪展因子的影響是非單調的，在水平壁麵過冷度較低時，最大內部鋪展因子減小起主要作用，在水平壁麵過冷度較高時，由於瑞利-泰勒不穩定性的增強，無量綱手指狀突起增大起主要作用，二者共同作用造成了非單調變化;現有模型對於最大鋪展時間的預測效果較好，相對平均偏差為6.05%，而對最大鋪展因子的預測效果較差。

在日常生活與工業生產中，液滴衝擊固體水平壁麵這一物理過程廣泛存在。例如，拍打在荷葉水平壁麵於中心聚集的水滴，下雨天從高空衝擊在雨傘上的雨滴飛濺，內燃機中未燃盡的油滴衝擊燃燒室壁麵，航空發動機內部小水滴衝擊葉片造成的侵蝕等。因此，深入探究液滴衝擊固體水平壁麵的鋪展特性、飛濺特性和鋪展時間，可以對液滴衝擊固體水平壁麵這一物理過程製定控製策略，這對粉色视频网站的日常生活及工業生產具有重要意義。

迄今為止，對於液滴衝擊水平壁麵的動力學行為，已有眾多學者針對液滴物性進行了一係列研究。

Kulkarni等通過在液體中增加活性劑，改變表麵張力，確定了尿素液滴衝擊水平壁麵的4種模式，即沉積、熱霧化、回彈和破碎。Lin等利用修正的毛細慣性時間，考慮液體黏度和水平壁麵潤濕性對液滴鋪展的影響，得到了描述最大鋪展時間的修正表達式。Zhao等研究了黏性液滴對超重力水平壁麵的影響，表明最大鋪展因子隨著韋伯數或雷諾數的增加而增加，但隨著液體黏度的增加而減小。

不僅如此，也有眾多學者展開了過冷水平壁麵的液滴衝擊動力學研究。Ding等利用高速攝像機，並采用液滴鋪展因子、無量綱高度、特征時間、反彈能量和二次液滴質量分數來反映動力學行。

Qian等對冷彈性超疏水膜進行了液滴衝擊實驗，研究了水平壁麵硬度和衝擊速度對液滴衝擊過程的影響，與彈性疏水膜相比，彈性超疏水膜具有更強的防冰性能。Castillo等通過冷凍液滴和鄰近液滴之間的熱量和質量交換來研究液滴之間的相互作用，在冷凍液滴的最終形狀中觀察到不對稱性。

Liu等利用流體體積(VOF)法和焓-孔隙度技術建立了一個數值模型，並通過模擬和實驗比較了液滴輪廓和鋪展麵積因子。Zhang等利用VOF多相模型和凝固/熔化相變模型，建立了一個同時考慮過冷度對物理性質的影響和動態接觸角對接觸線運動的影響的數值模型來模擬液滴的衝擊-凍結行為。

盡管如此，目前針對低表麵張力液滴衝擊過冷水平壁麵的研究仍有所欠缺。液滴在過冷表麵上的衝擊和應用在生活中也十分常見，例如噴霧凍結、高空中的過冷水滴衝擊機翼導致結冰、過冷噴塗等。本文針對乙醇液滴衝擊過冷親水水平壁麵這一基本物理現象開展實驗，針對其鋪展動力學行為進行分析與討論，旨在探究低表麵張力對液滴衝擊過冷水平壁麵的鋪展動力學行為的影響。這一研究有助於加深對固液接觸現象的理解，為更好的控製固液介麵接觸提供有效指導。

1、實驗方法

1.1實驗係統

本文實驗係統如圖1所示，選擇常溫狀態下的無水乙醇(質量分數99.9%，Tansoole)進行實驗。常溫下，該液體的密度ρ為788.69kg/m3，表麵張力σ為0.023N/m，黏度μ為0.0012Pa·s，乙醇液滴的初始溫度為20℃。注射泵(Harvard，PHD-Ultra)通過推動總量程為5mL的注射器以生成乙醇液滴，當針尖處液滴的自身重力大於其表麵張力時，液滴從針尖脫落。針尖的外徑為(0.23±0.02)mm，液滴的初始直徑D0為(1.75±0.08)mm，針尖底部距離過冷水平壁麵的距離為335mm，液滴衝擊過冷水平壁麵的初速度U0為(2.43±0.19)m/s。使用高速相機(Ph￾otron，Fastcam-MiniAX100)拍攝了液滴衝擊過冷水平壁麵的過程，拍攝速度為18000幀/s，鏡頭方向與水平方向夾角為54°和0°。

液滴衝擊的水平壁麵為矽片(親水光滑矽片)，乙醇液滴在該水平壁麵上的靜態接觸角為8.5°。矽片緊密貼合於一半導體製冷片的冷端，半導體製冷片的熱端與循環製冷機(JULABO，CD-300F)的冷卻模塊貼合，通過這種方式，矽片的溫度Ts的範圍為0~-36℃。水平壁麵溫度為矽片兩個對稱布置的K型熱電偶(Omega，精度為±0.1K)的測量值的平均值。環境溫度為(20±1)℃，相對濕度為(35±2)%。為了盡量消除過冷表麵結霜對表麵粗糙度的影響，每次實驗前利用無紡布沿同一方向對實驗水平壁麵進行擦拭。為確保實驗數據的可靠性，每組實驗至少重複3次，對重複的結果進行計算，所獲得的標準方差為誤差棒。