廖斌，張桂夫，王魯海，朱雨建，*，楊基明

(1．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，合肥230027;2．安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽蕪湖241000)

沖擊作用下液滴在環(huán)境液體中的變形破碎行為

廖斌1，2，張桂夫1，王魯海1，朱雨建1，*，楊基明1

(1．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，合肥230027;2．安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽蕪湖241000)

采用基于液-液體系的墜落實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)沖擊作用下單個(gè)液滴在環(huán)境液體中的變形破碎行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)高速攝影捕捉到的5種液滴典型變形破碎模式進(jìn)行了定量化考察和規(guī)律性分析。結(jié)果表明，液滴初始直徑、液滴與環(huán)境液體的密度比和粘度比、界面張力系數(shù)以及墜落高度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)相互組合可以得到相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中We數(shù)是區(qū)分液滴變形破碎模式的關(guān)鍵參數(shù)。進(jìn)一步研究液滴變形破碎模式與無量綱參數(shù)的依賴關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在1＜We＜700、0．001＜Oh＜0．005的實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，液滴變形破碎模式與Oh數(shù)無明顯依賴關(guān)系，而在We數(shù)相近情況下，液滴變形破碎模式呈現(xiàn)明顯的相似性。

液-液體系;液滴變形破碎;沖擊;高速攝影;We數(shù);Oh數(shù)

0 引言

液滴與不相溶環(huán)境液體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液滴會(huì)在環(huán)境液體作用下發(fā)生變形乃至破碎，這種現(xiàn)象普遍存在于各類工程實(shí)踐中，如石油開采與輸送中的油水兩相流型演變、生物以及化工工業(yè)常見的液液霧化過程、核工業(yè)安全關(guān)心的高溫熔融金屬與冷卻液的作用等等。研究這些過程中一個(gè)基本的問題——液-液體系中單個(gè)獨(dú)立液滴的變形破碎行為，不僅有助于對(duì)工程現(xiàn)象的把握和預(yù)測(cè)，同時(shí)也是對(duì)建立在液-液體系上的液滴變形破碎相關(guān)機(jī)理認(rèn)識(shí)的有效補(bǔ)充。

對(duì)單個(gè)液滴的變形破碎行為的研究由來已久，但過去的研究多集中于氣－液體系。在早期研究中，Lane［1］，Hinze［2］和Hanson等［3］利用高速攝影拍攝到單個(gè)液滴在連續(xù)高速氣流作用下的變形破碎圖像，發(fā)現(xiàn)了幾種具有典型特征的變形破碎模式，同時(shí)揭示了這些模式與Weber數(shù)（簡稱We數(shù)）和Ohnesorge數(shù)（簡稱Oh數(shù)）之間的相關(guān)性。隨后諸多學(xué)者對(duì)單個(gè)液滴在氣流作用下的變形破碎行為進(jìn)行了更為深入的研究［4－17］。Pilch和Erdman［18］，Gelfand等［19］，Guildenbecher等［20］對(duì)氣－液體系中單個(gè)液滴變形破碎行為的研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納，得到了一些被普遍認(rèn)同的結(jié)論：首先，液滴變形破碎模式大致可分為振蕩、袋狀、花蕾狀、剪切破碎、坍塌破碎等幾種典型模式［1819］，Theofanous等［16－17］近年對(duì)這些模式的分類和主導(dǎo)作用機(jī)制作了進(jìn)一步的修正；其次，在粘性較小即Oh數(shù)較低（通常是Oh＜0．1）的條件下，We數(shù)被認(rèn)為是決定液滴變形破碎行為的主要無量綱參數(shù)。但當(dāng)Oh數(shù)增大到一定程度時(shí)，Oh數(shù)和We數(shù)都對(duì)液滴變形破碎行為有著明顯影響［10，18，21－23］；此外，液滴與環(huán)境流體的密度比ε也是影響變形破碎行為的一個(gè)重要參數(shù)［12，19－20］。由于氣－液體系中液滴與環(huán)境氣體的密度比ε普遍較大（ε～O（102）量級(jí)以上），兩種密度接近的氣－液體系在實(shí)驗(yàn)上難以實(shí)現(xiàn)，造成此類情況下液滴變形破碎的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和認(rèn)知的缺乏。

液－液體系是實(shí)現(xiàn)密度比ε～O（1）量級(jí)下液滴變形破碎的理想配置。相對(duì)于氣－液體系已取得的大量研究成果而言，針對(duì)液－液體系研究較少見諸發(fā)表。Patel和Theofanous［24］設(shè)計(jì)了一套液體激波管用于研究單個(gè)水銀液滴在水中的變形過程，并認(rèn)為水－氣體系中臨界Bond數(shù)（簡稱Bo數(shù)）對(duì)水滴變形破碎的影響在水銀－水體系中不明顯。Hsiang和Faeth［25］設(shè)計(jì)了一套基于液－液體系的垂直墜落裝置研究單個(gè)液滴在環(huán)境液體中的垂直下落過程，得到無附加擾動(dòng)條件下單個(gè)液滴的變形形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)兩種典型變形模式（圓臺(tái)狀和碗狀）之間轉(zhuǎn)化的臨界We數(shù)隨Reynolds數(shù)（簡稱Re數(shù)）的上升而增加。Landeau等［26］對(duì)浮力作用下液團(tuán)在相溶和不相溶環(huán)境液體中的擴(kuò)散行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，歸納出低Oh數(shù)條件下液團(tuán)擴(kuò)散的幾種典型模式并討論了擴(kuò)散模式與We數(shù)的依賴關(guān)系。與常規(guī)氣－液體系中的液滴變形破碎不同，以上研究所關(guān)注的均非液滴快速置于相對(duì)恒定流動(dòng)環(huán)境后的自由發(fā)展過程。針對(duì)這一欠缺，作者所在的實(shí)驗(yàn)室自行研制了一種類似于氣－液體系中激波管效果的、基于液－液體系的墜落裝置對(duì)水－油體系中水滴在沖擊作用下的演變過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，拍攝得到4種液滴典型演變模式，并分析了墜落高度和滴徑對(duì)水滴在環(huán)境油相中演變模式的影響［27］。該研究突出對(duì)典型工況下水滴在環(huán)境油相中的典型演變模式的實(shí)驗(yàn)觀察和探討，但具體的參數(shù)化研究尚不夠系統(tǒng)，定量分析也不夠具體深入，缺乏對(duì)液－液體系中液滴變形破碎機(jī)理的有效認(rèn)識(shí)和規(guī)律性總結(jié)。

本文在實(shí)驗(yàn)室已有的工作基礎(chǔ)之上，針對(duì)前期工作的不足，從研究沖擊作用下單個(gè)液滴在環(huán)境液體中變形破碎行為的機(jī)理出發(fā)，對(duì)影響液滴變形破碎行為的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化研究和定量分析，重點(diǎn)關(guān)注低Oh數(shù)和一定范圍We數(shù)條件下，液－液體系中單個(gè)液滴在沖擊作用后的變形破碎行為。研究采用一套能施加短時(shí)間沖擊作用的垂直墜落裝置來實(shí)現(xiàn)液－液體系中液滴與環(huán)境液體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并利用高速攝影記錄沖擊作用下單個(gè)液滴在環(huán)境液體中整個(gè)變形破碎行為的清晰圖像，在此基礎(chǔ)上對(duì)變形破碎模式與無量綱參數(shù)（We數(shù)、Oh數(shù)等）的依賴關(guān)系進(jìn)行探究。

1 實(shí)驗(yàn)方法和裝置

本文延續(xù)實(shí)驗(yàn)室前期工作的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思［27］，在一個(gè)充滿環(huán)境液體的密封箱體內(nèi)部緩慢生成液滴，然后讓整個(gè)箱體自由墜落，近似自由落體的墜落過程中基本消除了因重力引起的液滴與環(huán)境液體體積力差所帶來的沉浮運(yùn)動(dòng)，液滴在液－液體系界面張力的作用下恢復(fù)成近似圓球形。當(dāng)箱體撞擊到緩沖裝置時(shí)，箱體及其內(nèi)部液體速度迅速減速至零附近。由于液滴與環(huán)境液體的密度存在差異，使得兩者的減速過程不同步，液滴與環(huán)境液體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致液滴在環(huán)境液體動(dòng)力學(xué)作用下發(fā)生變形乃至破碎。

在繼承已有實(shí)驗(yàn)裝置重復(fù)性較好、便于實(shí)現(xiàn)液滴與環(huán)境液體相對(duì)運(yùn)動(dòng)、降低高速攝影拍攝行程等優(yōu)點(diǎn)［27］的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，主要包括加速度信號(hào)采集系統(tǒng)、光源以及緩沖裝置，以便于定量分析和規(guī)律性總結(jié)。改進(jìn)后的垂直墜落裝置如圖1所示。該裝置具體由墜落系統(tǒng)（見圖1（a））和記錄系統(tǒng)（見圖1（b））2部分組成。其中，墜落系統(tǒng)主要由液滴生成裝置、密封箱體、不銹鋼滑軌以及細(xì)沙緩沖裝置構(gòu)成，利用繩索和定滑輪控制箱體的墜落高度，繩索扣解除后箱體自由墜落完成一組實(shí)驗(yàn)；記錄系統(tǒng)由高速攝影（MikrotronTMMC1311 CCD）、LED陣列光源、加速度傳感器以及示波器構(gòu)成，采用背光拍攝，曝光時(shí)間1／10000s，獲得1000幀／s，分辨率為512× 1280的液滴變形破碎行為連續(xù)照片，同時(shí)利用示波器記錄沖擊過程中箱體的加速度信號(hào)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig．1 Schematic of experimental setup

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室前期工作中粘度測(cè)量缺失、沖擊加速度曲線記錄不系統(tǒng)等定量測(cè)量問題，本文中將對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)做系統(tǒng)性的定量測(cè)量工作。為盡可能獲得豐富的參數(shù)范圍，實(shí)驗(yàn)中環(huán)境液體選擇1，2－丙二醇與水按質(zhì)量配比生成的混合溶液，液滴選擇全氯乙烯或者全氯乙烯與ExxsolTMD110白油按體積配比生成的混合溶液。采用浮子密度計(jì)和毛細(xì)管粘度計(jì)分別測(cè)量液滴和環(huán)境液體的密度和粘度，通過懸滴法［28］測(cè)得液滴與環(huán)境液體之間的界面張力，記錄每組實(shí)驗(yàn)工況的沖擊加速度曲線。測(cè)量得到的相關(guān)物性參數(shù)范圍如表1所示，不同墜落高度的沖擊加速度曲線如圖2所示（圖中沖擊加速度單位g為重力加速度）。

表1 液滴與環(huán)境液體的相關(guān)物性參數(shù)Table 1 Related properties of drop and ambient fluid

圖2 不同墜落高度的沖擊加速度曲線Fig．2 Impact acceleration curves of different falling heights

液滴由儲(chǔ)液瓶流經(jīng)導(dǎo)管再通過點(diǎn)膠針頭的針管生成（見圖1）。通過調(diào)整點(diǎn)膠針頭的針管直徑以及液滴與環(huán)境液體的物理性質(zhì)（主要是兩者的界面張力系數(shù)）來控制液滴直徑的大小。實(shí)驗(yàn)中液滴初始直徑范圍為4．0～9．0mm。其中，液滴密度、粘度，環(huán)境液體密度、粘度，液滴的初始直徑，箱體墜落高度以及液滴與環(huán)境液體之間的界面張力系數(shù)分別記為ρd，μd，ρa(bǔ)，μa，d0，h和σ。

表2 液滴5種典型變形破碎模式所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件Table 2 Typical experimental conditions for five modes of drop deformation and breakup

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2．1 液滴典型變形破碎模式

通過改變液滴和環(huán)境液體的物理屬性、裝置墜落高度、液滴直徑等實(shí)驗(yàn)條件，本文開展了一系列的單個(gè)液滴變形破碎實(shí)驗(yàn)。利用高速攝影拍攝得到5種液滴典型變形破碎模式清晰序列照片，如圖3所示，其中0時(shí)刻與圖2相同。按照變形破碎行為的激烈程度依次為振蕩模式（見圖3（A））、袋狀模式（見圖3（B））、帽狀模式（見圖3（C））、竹節(jié)狀模式（見圖3（D））和蘑菇狀模式（見圖3（E））。其中帽狀、竹節(jié)狀以及蘑菇狀破碎模式在已有的氣－液體系的研究中尚未見到。5種液滴典型變形破碎模式所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。從圖3中可以看出，振蕩和袋狀模式中液滴僅有凹陷、膨脹等簡單變形，并沒有觀察到液膜破碎現(xiàn)象，屬于較溫和的變形行為，液－液界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)未發(fā)生改變；而帽狀、竹節(jié)狀和蘑菇狀模式中，液滴內(nèi)部出現(xiàn)匯聚環(huán)狀射流、環(huán)狀射流卷起、環(huán)狀射流翻轉(zhuǎn)等復(fù)雜變形（如圖4所示，圖中陰影部分為液滴，其余為環(huán)境液體，紅色箭頭表示環(huán)狀射流的發(fā)展方向和趨勢(shì)），并伴隨液膜破碎現(xiàn)象，液－液界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變。

為明確區(qū)分上述5種模式，本文將對(duì)這幾種典型模式中液滴變形破碎行為各自的特點(diǎn)進(jìn)行簡明刻畫。振蕩模式中，液滴上表面逐漸變平并持續(xù)向下發(fā)展形成凹陷（見圖3（A）40ms），凹陷沒有貫穿液滴下表面形成液膜，隨后凹陷回彈恢復(fù)（見圖3（A）80ms），液滴反復(fù)振蕩；袋狀模式中，凹陷向下發(fā)展直至觸及液滴下表面形成液膜（見圖3（B）40ms），液膜持續(xù)向外膨脹，液滴中部形似一個(gè)袋狀腔體（見圖3（B）60ms），隨后液膜中止膨脹并逐漸回縮（見圖3（B）100ms）；帽狀模式中，凹陷上部周圍液滴在赤道附近向腔體內(nèi)部匯聚發(fā)展生成環(huán)狀射流（見圖3（C）35ms）。環(huán)狀射流持續(xù)向下匯聚發(fā)展，射流前緣部分逐漸聚攏合并（見圖3（C）65ms和4（a）），液滴整體此時(shí)形似倒轉(zhuǎn)的“帽子”，隨后液膜破碎分散成微小液滴（見圖3（C）80ms）；竹節(jié)狀模式中，向腔體內(nèi)部持續(xù)向下發(fā)展的環(huán)狀射流后續(xù)沒有聚攏合并，而是向外擴(kuò)張并卷起見（見圖3（D）30ms和4（b）），液滴主體部分此時(shí)形似“竹節(jié)”，隨后出現(xiàn)液膜破碎現(xiàn)象（見圖3（D）35ms）；蘑菇狀模式中，環(huán)狀射流卷起的前緣出現(xiàn)二次翻轉(zhuǎn)（見圖3（E）10ms），后續(xù)液滴上部不斷拉長，同時(shí)液滴中部出現(xiàn)明顯的橫向收縮，形成類似“蘑菇”狀的外部輪廓（見圖3（E）20ms和4（c）），隨后出現(xiàn)液膜破碎現(xiàn)象（見圖3（E）30ms）。

圖3 液滴5種典型變形破碎模式序列圖：（A）振蕩模式；（B）袋狀模式；（C）帽狀模式；（D）竹節(jié)狀模式；（E）蘑菇狀模式Fig．3 Sequential images showing five modes of drop deformation and breakup：（A）oscillatory mode；（B）bag mode；（C）cap mode；（D）bamboo mode；（E）mushroom mode

2．2 液滴變形形態(tài)的相似性

分析無量綱參數(shù)對(duì)液滴變形破碎模式的影響有必要首先對(duì)同一變形破碎模式下液滴形態(tài)的相似性進(jìn)行考察。

通過改變液滴尺寸、物性以及墜落高度等參數(shù)，可以獲得相似的液滴變形破碎模式。圖5和表3分別給出了3種液滴典型變形破碎模式的3組相似性對(duì)比照片，以及變形形態(tài)圖片所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。對(duì)比分析可以得出以下初步結(jié)論：（a）液滴初始直徑、液滴與環(huán)境液體的密度比和粘度比、界面張力系數(shù)以及墜落高度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)之間存在一定的等效性，調(diào)節(jié)這些實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以得到相似的液滴變形破碎模式；（b）袋狀、帽狀、竹節(jié)狀等典型變形破碎模式是變形程度由弱到強(qiáng)的一種較為普遍的演變形式。

圖4 液滴內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖：（a）帽狀模式；（b）竹節(jié)狀模式；（c）蘑菇狀模式Fig．4 Structures of the deforming drop：（a）cap mode；（b）bamboo mode；（c）mushroom mode

圖5 液滴變形形態(tài)相似性驗(yàn)證圖：（a1）～（a3）袋狀模式；（b1）～（b3）帽狀模式；（c1）～（c3）竹節(jié)狀模式Fig．5 Similarity verification of drop deformation：（a1）～（a3）bag mode；（b1）～（b3）cap mode；（c1）～（c3）bamboo mode

參照前人在氣－液體系中認(rèn)為液滴變形破碎行為主要與We數(shù)、Oh數(shù)有一定依賴關(guān)系的觀點(diǎn)，從驗(yàn)證液－液體系中是否存在相似依賴關(guān)系的角度出發(fā)，本文將3組變形形態(tài)相似照片對(duì)應(yīng)的We數(shù)、Oh數(shù)分別提取匯總，如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)液滴變形形態(tài)相似時(shí)，對(duì)應(yīng)的We數(shù)較為接近，而Oh數(shù)則有一定區(qū)別?？梢哉J(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，液滴變形破碎模式的相似性與We數(shù)有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)，與Oh數(shù)關(guān)系尚不明顯。

表3 圖5所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 3 Corresponding experimental conditions for the results of Fig．5

圖6 液滴變形形態(tài)相似性與無量綱參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig．6 Relationship of non－dimensional parameters and drop deformation images

2．3 液滴變形破碎模式與無量綱參數(shù)的依賴關(guān)系

由于液滴典型變形破碎模式之間的轉(zhuǎn)變是一個(gè)漸變過程，因此有必要借助過渡模式來表征各個(gè)典型變形破碎模式之間的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而利用過渡模式劃分液滴變形破碎模式，繪制相應(yīng)的模式分布圖來進(jìn)一步揭示液滴變形破碎模式與無量綱參數(shù)的依賴關(guān)系。

在分析大量實(shí)驗(yàn)圖片之后，發(fā)現(xiàn)液滴在發(fā)生變形破碎行為時(shí)會(huì)卷入周圍的環(huán)境液體，而液體處于不同變形破碎模式下所卷入的環(huán)境液體體積不盡相同。在較溫和的變形模式中，卷入體積隨著變形程度的加劇明顯增加，而在劇烈變形模式中，卷入體積的增長趨勢(shì)并不明顯，因此本文選取無量綱卷入體積比Vamax／V0作為劃分液滴變形劇烈程度的一個(gè)初步判據(jù)。其中，Vamax為液滴卷入的最大環(huán)境液體體積，V0為液滴初始體積。根據(jù)卷入過程的輪廓遮光效果，應(yīng)用圖像處理方法分別提取Vamax和V0，并建立無量綱卷入體積比Vamax／V0與We數(shù)的依賴關(guān)系，如圖7所示。從圖中可以看出，處于陰影部分即帽狀模式中的Vamax／V0值隨We數(shù)的增加大部分散布于約1．5～2．5范圍內(nèi)，這與其他模式Vamax／V0散點(diǎn)值的分布規(guī)律有明顯區(qū)別。左側(cè)振蕩和袋狀模式中，Vamax／V0值隨We數(shù)的增加呈明顯上升趨勢(shì)；而右側(cè)竹節(jié)狀和蘑菇狀模式中，Vamax／V0值隨We數(shù)的增加則基本穩(wěn)定地散布于約2．0～2．5范圍內(nèi)?；诖?，本文選取從袋狀到帽狀模式以及從帽狀到竹節(jié)狀模式之間轉(zhuǎn)變的2種過渡模式作為分界點(diǎn)進(jìn)行模式劃分，進(jìn)而建立液滴變形破碎模式與無量綱參數(shù)之間的依賴關(guān)系。

圖7 Vamax／V0與We數(shù)的依賴關(guān)系圖Fig．7 Relationship of Vamax／V0and the Weber number

圖8 液滴變形破碎模式之間的轉(zhuǎn)變過程圖像，上行：（a）袋狀模式，（b）過渡模式，（c）帽狀模式，（b＊）過渡模式剖視圖；下行：（d）帽狀模式，（e）過渡模式，（f）竹節(jié)狀模式，（e＊）過渡模式剖視圖Fig．8 Transition between drop deformation and breakup modes，upper row：（a）bag mode，（b）transition mode，（c）cap mode，（b＊）cross－sectional view of transition mode；lower row：（d）cap mode，（e）transition mode，（f）bamboo mode，（e＊）Cross－sectional view of transition mode

圖8 給出了2種液滴變形破碎模式之間轉(zhuǎn)變過程以及2種過渡模式中液滴內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖。從圖8（a）～（c）中可以看出，袋狀模式中袋狀腔體內(nèi)部沒有生成環(huán)狀射流；袋狀－帽狀過渡模式（見圖8（b＊））中環(huán)狀射流剛剛生成，射流方向豎直向下，沒有向內(nèi)持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)；而帽狀模式中環(huán)狀射流已持續(xù)向內(nèi)匯聚發(fā)展；從圖8（d）～（f）中可以看出，帽狀模式中環(huán)狀射流前緣部分逐漸聚攏合并；帽狀－竹節(jié)狀過渡模式（見圖8（e＊））中環(huán)狀射流前緣沒有聚攏合并而是向外水平擴(kuò)張，沒有向上卷起的趨勢(shì)；竹節(jié)狀模式中環(huán)狀射流前緣已明顯向外擴(kuò)張卷起。

圖9給出了以上述2種過渡模式劃分的We－Oh液滴變形破碎模式分布圖。從分布圖中可以看出，液滴變形破碎模式與Oh數(shù)無明顯依賴關(guān)系，隨著Oh數(shù)的增加，液滴變形破碎模式無明顯變化；但隨著We的增加，液滴變形破碎模式的遞進(jìn)趨勢(shì)則十分明顯，可見We數(shù)此時(shí)為液滴變形破碎模式的主要控制參數(shù)。鑒于本文實(shí)驗(yàn)中Oh數(shù)處于較低的Oh＜0．1范圍，以上結(jié)論與Pilch和Erdman［18］歸納的氣－液體系中Oh＜0．1條件下的臨界We數(shù)與Oh數(shù)的關(guān)系大致類似。

圖9 We－Oh液滴變形破碎模式分布圖Fig．9 We－Oh modes map for drop deformation and breakup

3 結(jié) 論

基于液－液兩相體系的垂直墜落裝置，研究了單個(gè)液滴在環(huán)境液體中的變形破碎行為。通過改變液滴和環(huán)境液體的物理屬性、調(diào)節(jié)裝置墜落高度、控制生成液滴大小等途徑實(shí)現(xiàn)一定可調(diào)范圍的實(shí)驗(yàn)條件，以獲得較為豐富的液滴變形破碎行為演變模式。

基于本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可概括以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）通過改變實(shí)驗(yàn)條件，本文拍攝到5種液滴典型變形破碎模式，隨著變形破碎行為的加劇，分別為振蕩模式、袋狀模式、帽狀模式、竹節(jié)狀模式和蘑菇狀模式。其中振蕩和袋狀模式中液滴只有凹陷、膨脹等簡單變形，屬于變形行為；而帽狀、竹節(jié)狀和蘑菇狀模式中液滴內(nèi)部出現(xiàn)匯聚射流、射流卷起、射流翻轉(zhuǎn)等復(fù)雜變形，并伴隨出現(xiàn)液膜破碎現(xiàn)象，屬于變形破碎行為。

（2）通過對(duì)液滴變形形態(tài)相似性的分析發(fā)現(xiàn)，液滴初始直徑、液滴與環(huán)境液體的密度比和粘度比、界面張力系數(shù)以及墜落高度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)之間存在一定的等效性，液滴變形形態(tài)的相似性與We數(shù)有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)，與Oh數(shù)關(guān)系尚不明顯。

（3）對(duì)液滴變形破碎模式與We數(shù)（1＜We＜700）、Oh數(shù)（0．001＜Oh＜0．005）的依賴關(guān)系進(jìn)行了歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)液滴變形破碎模式與Oh數(shù)無明顯依賴關(guān)系，液滴變形破碎模式主要由We數(shù)決定，這與Pilch和Erdman［18］歸納的氣－液體系中Oh＜0．1條件下的臨界We數(shù)與Oh數(shù)的關(guān)系基本一致。

本文工作一方面旨在揭示液－液體系中液滴變形破碎機(jī)理，另一方面也可為多相流數(shù)值模擬研究提供第一手的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

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Deformation and breakup behaviors of a drop in ambient liquid under im pact

Liao Bin1，2，Zhang Guifu1，Wang Luhai1，Zhu Yujian1，*，Yang Jiming1
(1．Department of Modern Mechanics，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China;2．College of Architecture and Civil Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu Anhui 241000，China)

In this study，we carry out an experimental investigation of the behaviors as well as the mechanism of the liquid-liquid drop deformation and breakup process following an impact．With high speed photography，five distinct deformation and breakup modes are captured，for which the key factors that dominate the transition are quantitatively analyzed．The results show that similar deformation behaviorsmay occur for a proper combination of drop sizes，density ratios between drop and ambient fluid，interfacial tensions and free falling heights．Two non-dimensional parameters，i．e．Weber number(We)and Ohnesorge number(Oh)，are calculated to estimate these effects．It is found that，similar deformation behaviorsmay have a strong correlation with theWeber number．After a further survey of the test range of present study(1＜We＜700，0．001＜Oh＜0．005)，it can be concluded that the deformation and breakup pattern is barely affected by the Ohnesorge number，whereas exhibits a strong dependence on theWeber number．

liquid-liquid system;drop deformation and breakup;impact;high speed photography;Weber number;Ohnesorge number

O359+．1

A

（編輯：張巧蕓）

1672-9897(2016)05-0009-08

10．11729/syltlx20160029

2016-02-02;

2016-04-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11572313);安徽省高等教育提升計(jì)劃省級(jí)自然科學(xué)研究一般項(xiàng)目(TSKJ2015B03)

*通信作者E-mail:yujianrd@ustc．edu．cn

Liao B，Zhang G F，Wang L H，et al．Deformation and b reakup behaviors of a d rop in ambient liquid under impact．Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30(5):9-16．廖斌，張桂夫，王魯海，等．沖擊作用下液滴在環(huán)境液體中的變形破碎行為．實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30(5):9-16．

廖 斌（1985－），男，江西撫州人，博士研究生。研究方向：實(shí)驗(yàn)多相流體力學(xué)。通信地址：安徽省合肥市蜀山區(qū)黃山路443號(hào)中科大西校區(qū)（230027）。E－mail：liaobin＠m(xù)ail．ustc．edu．cn