不同条件下液滴与热表面相互作用的实验与数值研究

本文对不同液体液滴与不同热金属表面的相互作用进行了实验与数值研究，并利用图表和图像对所得结果进行了解释。借助帧率为 100 fps 的摄像机观察了液滴撞击、铺展、破碎以及莱顿弗罗斯特现象。相互作用研究在不同表面温度和不同液滴撞击速度下进行。本研究选用了三种金属和三种液体。选取铜、铝和钢作为具有不同粗糙度因子且处于不同温度的金属，而在液体方面选取了甲醇、乙醇和煤油（部分实验中还使用了水）。金属的选择基于热扩散率特性，因其影响液滴与热金属表面之间的热相互作用。金属表面温度范围保持在 150{\deg} C 至 425{\deg}C，液滴撞击速度范围为 2.4 - 4.9 m/s。计算研究使用了 Ansys Fluent R3-2019 版本。相互作用过程的数值研究采用流体体积法（Volume of Fluid, VOF），在二维几何瞬态模拟中求解 Navier-Stokes 方程和能量方程。本文研究并讨论了表面温度、热通量以及铺展比随韦伯数变化的参数。本研究的成果将有助于更好地理解物理机制，并为高效喷雾冷却系统设计开发新模型。结果表明，在较低韦伯数下，液滴撞击后的铺展宽度小于高韦伯数情况。液滴铺展比在不同表面温度下几乎恒定或均匀，且仅取决于表面粗糙度。