2.Leidenfrost現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)及傳熱學(xué)特性

為了研究液滴撞擊高溫球面過(guò)程中液滴與氣膜的動(dòng)力學(xué)及傳熱學(xué)特性，以液滴撞擊623.15 K球面為例展開模擬，液滴的撞擊速度為0.348 m/s,尺寸為d=1.61 mm,We=8.6.圖4展示了液滴撞擊過(guò)程中速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的變化，圖5展示了液滴撞擊過(guò)程中流場(chǎng)的變化。

圖4液滴速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和熱流密度情況

圖5液滴撞擊球面的流場(chǎng)分布

從圖中可以看出，0 ms時(shí)，液滴開始接觸壁面，液滴主要在慣性力作用下沿球表面快速鋪展，受球面形狀的影響，重力對(duì)液滴的鋪展起到一定作用，液滴通過(guò)克服黏性損失和液滴變形將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為表面能；1.5 ms時(shí)，由于蒸汽積壓，液滴底部呈扁平狀，此時(shí)氣膜較薄，底部球面上存在熱流密度明顯較大的環(huán)狀區(qū)域，同時(shí)液滴運(yùn)動(dòng)方向由軸向開始轉(zhuǎn)變?yōu)閺较颍?.0 ms時(shí)，隨著液滴繼續(xù)鋪展，流體向液滴前端積聚，徑向速度與壓力都開始減小，同時(shí)，液滴下方蒸汽流出后，周圍空氣沿球面流向液滴底部，形成回流；4.5 ms時(shí)，液滴達(dá)到最大鋪展，隨后，在表面張力的作用下開始收縮，外部環(huán)狀區(qū)域壓力與速度都較小，中心點(diǎn)處氣膜較薄，具有較高的熱流密度，同時(shí)，因?yàn)橐旱涡纬闪酥虚g低四周高的結(jié)構(gòu)，周圍氣流形成多個(gè)渦流；6.0 ms時(shí)，液滴逐漸收縮，外側(cè)速度與壓力明顯小于中心內(nèi)部，且液滴運(yùn)動(dòng)方向由原來(lái)的周向變?yōu)檩S向，中心區(qū)域與外側(cè)氣膜厚度都較薄，且中心區(qū)域更薄，因此熱流密度更大，多個(gè)渦流都在遠(yuǎn)離液滴；7.5 ms時(shí)，液滴進(jìn)一步收縮，外側(cè)速度與壓力都在升高，軸向方向速度減弱，由于液滴底部氣膜厚度不均勻，導(dǎo)致球面熱流密度分布呈多環(huán)形，不同區(qū)域差異較大，同時(shí)，因?yàn)橐旱蔚撞繅毫^高，對(duì)底部氣膜擠壓作用較強(qiáng)，使氣流逸散速度進(jìn)一步提高；9.0 ms-13.0 ms階段，液滴逐漸脫離壁面，壁面熱流密度隨之減小，直到液滴完全脫離壁面，周圍氣流在液滴的帶動(dòng)下逐漸沿軸向遠(yuǎn)離球面，壁面附近氣流速度逐漸減小。

通過(guò)圖5也可以看出，液滴底部氣體流速隨著氣膜厚度的減小而增大，在1.5 ms、6.0 ms和7.5 ms時(shí)，熱流密度增大的區(qū)域也都出現(xiàn)了顯著的氣流速度增大。氣流從液滴底部逸散后會(huì)出現(xiàn)兩種流動(dòng)方向：一是流向液滴方向，因?yàn)橐旱沃車鷼怏w流速較大壓強(qiáng)較小，底部排出的氣體流動(dòng)會(huì)偏向液滴，并沿液滴表面流動(dòng)形成渦流，當(dāng)t=1.5 ms時(shí)液滴周圍渦流較為明顯；二是繼續(xù)沿逸散方向流動(dòng)，此時(shí)出口流速較大，會(huì)吸引壁面氣體向出口處流動(dòng)，當(dāng)流動(dòng)到出口附近處與流出氣體匯合繼續(xù)向外流動(dòng)形成渦流，t=3.0 ms時(shí)貼壁渦流較為明顯。

研究結(jié)果表明，液滴撞擊壁面時(shí)，底部存在徑向的泊肅葉流動(dòng)，為模擬液滴底部氣流的流動(dòng)，采用足夠精密的網(wǎng)格，以確保可以捕捉到氣流的動(dòng)力學(xué)及傳熱學(xué)現(xiàn)象。圖6為液滴底部氣膜流場(chǎng)的具體情況，與上文工況條件相同，分別為0 ms、3.0 ms、4.5 ms和6.0 ms的工況。在t=0 ms時(shí)，蒸汽層流速顯著高于其它位置，這與蒸汽層中導(dǎo)致高蒸發(fā)速率的熱梯度一致。在t=0 ms和t=3.0 ms時(shí)，可以明顯觀察到蒸汽層區(qū)域的泊肅葉流。t=4.5 ms時(shí)，液滴已經(jīng)到達(dá)最大鋪展情況并開始收縮，蒸汽層內(nèi)氣流流動(dòng)方向與前面不同，頸部氣流存在相反的流動(dòng)，這是因?yàn)橐旱问湛s的帶動(dòng)作用使氣流流向軸線，在徑向中部存在一個(gè)較大的氣室，內(nèi)部向外流動(dòng)與頸部向內(nèi)流動(dòng)的氣流在此處碰撞匯聚，沿液滴表面形成了渦流。此外，在氣室頂部也可以觀察到渦流的存在。t=6.0 ms時(shí)，底部氣流依舊存在兩個(gè)方向，可以看出向氣室內(nèi)流動(dòng)的泊肅葉流貼附在液滴表面，而貼近壁面處的氣流速度較低，可以說(shuō)明這里的氣流流動(dòng)主要是液滴的運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)的。收縮過(guò)程中，底部氣流速度明顯大于鋪展階段底部氣流速度。

圖6液滴撞擊球面的局部流場(chǎng)

圖7展示了不同球面位置處氣膜厚度、壁面壓力及熱流密度，從圖中可以看出壁面熱流密度及壓力與氣膜厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)t=0.0 ms時(shí)，液滴即將撞擊球面，此時(shí)中心點(diǎn)氣膜厚度最薄，對(duì)應(yīng)的壁面位置壓力與熱流密度都高于其它位置；t=1.5 ms時(shí)，液滴向四周鋪展，在距液滴中心大約1 mm處氣膜厚度達(dá)到最低，可以看出熱流密度與壓力都在此處發(fā)生驟增，在距離液滴中心更近的位置又因氣膜厚度增大而驟減，顯然壓力與熱流密度都與氣膜厚度成反比；t=3.0 ms時(shí)，液滴繼續(xù)鋪展，邊緣處氣膜厚度升高，熱流密度與壓力都在降低，而邊緣至中心位置氣膜厚度降低，熱流密度略有升高，但氣膜厚度波動(dòng)較大，因此熱流密度與壓力也出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)；t=4.5 ms時(shí)，液滴鋪展達(dá)到最大，中心位置與邊緣處氣膜厚度都在減小，中心位置氣膜厚度更小，此處熱流密度與壓力增幅更大；t=6.0 ms時(shí)，液滴開始彈跳，中心及邊緣處所受壓力增加；t=7.5 ms時(shí)，中心位置氣膜厚度較低且波動(dòng)較大，因此中心位置壓力及熱流密度都發(fā)生了振蕩，變化幅度較大；t=9.0 ms-15.0 ms時(shí)段，液滴逐漸脫離熱壁面，氣膜厚度發(fā)生變化，壓力與熱流也隨之變化，直到液滴脫離壁面。

圖7氣膜形狀及對(duì)應(yīng)的熱流密度和壓力

從圖7可以看出，相對(duì)于壓強(qiáng)的變化情況，壁面的熱流密度與氣膜的相關(guān)性更強(qiáng)，氣膜厚度的變化會(huì)引起熱流密度的變化。圖8是液滴撞擊過(guò)程中壁面平均熱流密度及氣膜不同特征參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，圖8（a）是壁面平均熱流密度，可以看出，平均熱流密度的變化情況受液滴中心氣膜厚度影響較大，在前期鋪展階段中心氣膜厚度出現(xiàn)明顯波動(dòng)時(shí)熱流密度也相應(yīng)波動(dòng)，在液滴收縮階段，熱流密度變化明顯與頸部氣膜厚度成正相關(guān)；圖8（b）是液滴中心氣膜高度，中心氣膜高度波動(dòng)最為劇烈，在液滴撞擊前3 ms內(nèi)，即液滴鋪展階段先伴隨不穩(wěn)定波動(dòng)升高再保持穩(wěn)定，當(dāng)液滴開始收縮時(shí)出現(xiàn)大范圍的波動(dòng)；圖8（c）是液滴頸部氣膜厚度，頸部與中心點(diǎn)通常為液滴底部氣膜厚度最薄點(diǎn)，也是熱流密度峰值點(diǎn)；圖8（d）是液滴的頸部半徑長(zhǎng)度，它的變化規(guī)律與液滴鋪展情況相似，且可以用來(lái)表示液滴與壁面的有效換熱面積。相較其他兩項(xiàng)特征參數(shù)而言，液滴中心氣膜厚度顯然對(duì)熱力學(xué)能具有更高的影響。

圖8壁面熱流密度隨時(shí)間和氣膜不同特征參數(shù)的變化情況

3.結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)液滴撞擊高溫球面引起的Leidenfrost現(xiàn)象進(jìn)行了全面探究。首先對(duì)Leidenfrost現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要從液滴、氣膜以及高溫壁面三方面展開分析，并進(jìn)一步研究了液滴撞擊速度、液滴尺寸、壁面溫度對(duì)Leidenfrost現(xiàn)象的影響。

液滴撞擊球面時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)壓力及熱流密度較高的區(qū)域，分別是液滴中心和液滴頸部，這兩個(gè)位置因?yàn)閴毫^高使氣膜厚度變薄，導(dǎo)致熱流密度升高。高壓力也會(huì)使該區(qū)域的氣流速度加快，但液滴與壁面間的蒸汽在排出時(shí)會(huì)形成泊肅葉流，對(duì)排氣速度產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于氣膜來(lái)說(shuō)，通常以中心高度、頸部半徑和頸部高度三項(xiàng)特征參數(shù)加以表征，對(duì)熱流密度影響較大的是中心氣膜高度。

提高液滴撞擊速度會(huì)使液滴具有更大的動(dòng)能，更快達(dá)到更好的鋪展情況，同時(shí)也會(huì)使液滴底部排氣速度加快，氣膜厚度變薄；提高液滴尺寸會(huì)使鋪展時(shí)間與熱流密度都增大，有利于液滴吸收更多熱量，加強(qiáng)液滴的換熱能力，但會(huì)使中心氣膜厚度升高；提高壁溫對(duì)液滴的鋪展規(guī)律影響較小，會(huì)使熱流密度升高，氣膜變厚。