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高速運動的微小水滴撞擊深水液池產(chǎn)生的空腔運動及形成機理（一）
來源：物理學報 瀏覽 839 次 發(fā)布時間:2025-05-19
摘要
為了探究微米級微小水滴撞擊深水液池運動中空腔的成長過程與機理，采用自適應網(wǎng)格技術(shù)和流體體積方法對撞擊速度為2.5—6.5 m/s的微小水滴撞擊深水液池的運動進行數(shù)值模擬研究，考察不同撞擊速度下水滴撞擊深水液池后的水體混摻、毛細波傳播、空腔變形規(guī)律以及氣泡截留過程，并深入探究空腔運動的動力學機制。研究結(jié)果表明，不同撞擊速度下，在忽略毛細波作用、空腔深度h∈（D,hmax）的前提下，空腔深度隨時間的成長仍滿足t∝h5/2的關系；液滴撞擊產(chǎn)生的空腔形狀有U形和半球形兩種，前者一般向V形轉(zhuǎn)變，后者空腔底部會變?yōu)閳A柱形，產(chǎn)生細長射流，并有可能發(fā)生氣泡截留現(xiàn)象；在撞擊速度較低時，低壓區(qū)首先在空腔側(cè)壁與底部交界處產(chǎn)生，隨后在靠近液面以及空腔底部靠近中心區(qū)域各產(chǎn)生一個較大的渦環(huán)；在撞擊速度較高，產(chǎn)生細長射流時，渦環(huán)的生成被抑制，低壓區(qū)首先在波浪底部與側(cè)壁上交界處產(chǎn)生，隨后空腔底部變?yōu)閳A柱狀，空腔側(cè)壁首先坍塌形成氣泡截留。
1引言
液滴下落沖擊不同介質(zhì)的運動過程在科技應用及自然現(xiàn)象中廣泛存在。液滴沖擊液體表面的研究在犯罪取證、開發(fā)不可浸潤表面或完全可浸潤表面、高精度活化或表面污染物轉(zhuǎn)移等方面有諸多應用，液~液界面的部分聚結(jié)過程也是許多復雜物理現(xiàn)象的組成部分，與地球物理學與土力學等有諸多關聯(lián)；對于海洋、湖泊等大面積水面，其廣泛的自然摻氣現(xiàn)象主要取決于水滴撞擊所引發(fā)的氣泡夾帶；在水利工程中，高水頭泄水建筑物的霧化、摻氣、消能等問題也與此息息相關。因此，研究此類基本運動對于理解自然界氣液流動的界面變形、改善液滴運動在工程中的應用具有重要的意義與作用。
1963年，Worthington通過實驗首次系統(tǒng)地描述了液滴和固體小球撞擊液池的過程及其運動規(guī)律。隨后的大量研究表明，當液滴以較低的撞擊速度撞擊液面時，液滴與液面發(fā)生完全聚結(jié)現(xiàn)象，并在液面下方生成渦環(huán)，在這種情況下，自由液面并不會出現(xiàn)飛濺射流，而是呈現(xiàn)出平坦的狀態(tài)。隨著液滴撞擊速度的增加，自由液面開始飛濺，液面出現(xiàn)較大變形，產(chǎn)生一個空腔，并在四周形成皇冠狀的射流，空腔塌陷后，液柱從撞擊中心升起，速度較大時，由于Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定性的影響，會在液柱上方分離出一個或多個小液滴。一般情況下，液滴沖擊液池的運動主要受重力、慣性力與表面張力的影響，因此對于弗勞德數(shù)（Fr）和韋伯數(shù)（We）十分敏感。
傳統(tǒng)上對液滴運動的探索多是以高速攝像機為主要工具進行的實驗研究，但由于液滴運動的復雜性，實驗攝影方式較難捕捉細致的自由面邊界，對諸如壓力和速度等物理量的測定也十分不便。隨著Hirt與Nicolas在1981年提出利用流體體積法（VOF）分離兩種流體構(gòu)成的尖銳界面后，數(shù)值模擬在捕捉界面變形方面精度不斷提升，逐漸成為了研究液滴撞擊運動的有力工具。Yue等對液滴撞擊液面運動進行了基于相場法的數(shù)值模擬，并根據(jù)最大Oh數(shù)得到了部分融合發(fā)生的臨界標準。Ray等利用CLSVOF法對液滴撞擊液面進行了更為具體的研究，結(jié)果表明慣性力和表面張力在很大程度上決定了液面的運動過程。Castillo-Orozco等基于VOF法和表面張力模型（CSF），討論了流體的物理化學性質(zhì)和液滴沖擊速度變化對二次液滴的斷裂以及冠狀射流的影響。戴劍鋒等應用CLSVOF法研究了液滴撞擊傾斜表面液膜后液膜的形態(tài)演化及飛濺過程，研究表明，空氣卷吸氣泡數(shù)量隨著沖擊角的增大而減小。黃虎等則建立了液滴撞擊平面液膜的數(shù)學模型，采用格子Boltzmann方法探討了相對液膜厚度和表面張力等物理參數(shù)對界面運動過程的影響。
以往對液滴撞擊運動的研究多針對毫米級直徑的液滴，驅(qū)動其空腔形成的要素主要為慣性力及重力，但在較小液滴尺度下，由于液滴質(zhì)量及體積的減小，毛細波運動在驅(qū)動液~液界面變形及空腔形成過程中起到越發(fā)重要的作用?，F(xiàn)有研究較少關注直徑在微米層級的液滴運動及空腔形成過程以及決定微小液滴空腔運動的主要驅(qū)動力，因此，本文主要關注高速運動的微小水滴，運用基于四叉樹結(jié)構(gòu)自適應網(wǎng)格、VOF方法以及變密度不可壓縮Navier-Stocks方程的開源多相流程序Gerris,研究一定物理參數(shù)范圍下微小水滴撞擊深水液池的液面變形及毛細波運動過程，并嘗試揭示水滴撞擊產(chǎn)生的空腔運動及形成機理。