常温液态金属液滴与固体壁面的碰撞加热行为分析

液滴撞击固体壁面的实验研究可以追溯到19世纪，1876年Worthington首先对液滴撞击金属壁面的流动过程进行了研究［3］。最初的这项研究即采用了水银这种最为常见的常温液态金属作为实验对象，作者观察了液滴撞击后的铺展、收缩、反弹等阶段的形态变化，定性描绘了液滴撞击的图案。

目前，大量研究确定了水及水相溶液撞击加热壁面过程中的一些典型特性，但是少有探讨常温液态金属撞击特性的文章。Wachters和Westerling于1966年研究了水滴撞击加热不锈钢表面的现象［4］，发现随着固体壁面温度不断升高，液滴与固体壁面间的接触逐渐减少，直至飘浮在蒸汽上完全脱离固体表面，由此导致热量传递随着温度的升高而减小，液滴完全蒸发所需时间延长。

常温液态金属具有很高的沸点与热导率，在撞击过程中始终保持液态，其临界热流密度与Leidenfrost点所对应的温度均远高于一般的液体冷却剂，因此有望打破传热极限，达到更高效的冷却。至今已有大量针对高熔点金属熔融液滴的撞击特性的研究。由于涉及凝固、氧化等物理化学过程，使得高温熔融金属液滴撞击成为一个独特而复杂的问题，其结果与常温液态金属液滴的撞击规律存在巨大差异。

20世纪60年代，因认识到特定的合金在撞击过程中可以形成亚稳态晶相与非晶固相，熔融液滴在固体表面的撞击与凝固问题开始引起人们的注意。这些现象的原因被归结为金属液滴的高速冷却（冷却速率大于105 K/s）。Madejski率先开始对急冷凝固（splat-quench solidification）中的传热规律进行实验与理论研究［5］。通过将铺展液滴近似为一个铺展的圆柱体，建立了基于Stefan解的有移动固液界面的一维导热模型。Collings实验研究了铜、铝、石英等不同表面上的液态金属撞击过程［6］。通过忽略液滴的初始表面能，根据能量守恒提出了预测铺展直径的简化模型。从更直接的角度出发，笔者实验室开展了常温液态金属液滴撞击加热固体壁面的实验研究［7］。

图6.7是直径2.61 mm的液滴以1.90 m/s的速度（Re=13 758.7，We=88.4）撞击在不同初始温度的不锈钢板上的运动过程［7］。从图6.7a中反映出的液滴形态变化可以看到，根据液滴铺展直径随时间的变化，可以将液滴的运动过程分为铺展阶段、收缩阶段和平衡阶段。在液滴铺展阶段的早期，由于表面张力的作用，液滴仍能部分维持球形；随着液滴继续向下运动，撞击压力使得液滴的速度由轴向急剧转为径向，动量和能量发生显著变化，在壁面上形成了壁面射流；在铺展的过程中，由于Rayleigh-Taylor不稳定性，在圆盘状的壁面射流边缘出现指状凸起；随着铺展的进行，指状凸起不断变粗，直至2.32 ms时达到液滴的最大铺展直径，此时液滴中心铺展为具有一定厚度的薄液。之后，由于黏性力和表面张力的作用，液膜开始收缩，而边缘指状凸起在表面张力的作用下变短收缩，最后形成了环状铺展液层；在收缩阶段结束时，在液滴顶端中心形成凸起。在平衡阶段，经过在固体平壁上的多次振荡后，液滴最终在49.14 ms时达到稳定，形成接近于球冠形的液层。图6.7 b—d分别是初始直径2.61 mm的液滴撞击在初始温度为50℃、80℃与120℃的不锈钢板上的运动过程。虽然壁面温度条件与图6.7a的温度略有不同，但三者的液滴撞击壁面后的流动形态基本相同，均是在铺展阶段、收缩阶段紧贴加热固体壁面运动，经过平衡阶段的振荡后，最终铺沉在加热固体壁面上，形成球冠状的液层。(www.xing528.com)

图6.7　直径2.61 mm的金属液滴以1.90 m/s的速度撞击不锈钢板的动态过程［7］

a.不锈钢板的初始温度为26.4℃；b.不锈钢板的初始温度为50℃；c.不锈钢板的初始温度为80℃；d.不锈钢板的初始温度为120℃。

若通过温度传感器记录液滴撞击不锈钢板后相应部位的温度变化曲线，可以看到，在液态金属液滴撞击加热固体壁面的瞬间，液滴吸收壁面的热量，导致壁面温度迅速下降。不过，由于液滴吸收的热量有限，壁面温度降至最低值之后逐渐攀升；经过一段时间，壁面温度恢复至初始水平，液滴也被壁面加热至同一温度。