引言随着科学技术的不断进步和试验模拟条件的日益现代化，液滴碰撞热壁面在提高固体表面换热效率领域的应用得到了世界各国的广泛关注，如降膜蒸发换热器中的喷淋冷却技术[1]。在液滴撞击热壁面的过程中，液滴与高温固体壁面发生强烈的热交换使固体表面的温度快速下降，从而达到冷却固体表面的作用。与传统的风冷、水冷技术相比，喷淋式冷却技术效率更高[2]、更节能。因此，研究及深化理解液滴撞击热壁面的过程具有重要意义，具有指导相关工业生产过程的实际应用价值。为了充分探索液滴撞击热壁面的动力学过程和传热机理，国内外许多专家、学者对单液滴、双液滴撞击热壁面的过程进行了详细的试验和数据模拟。学者们发现液滴在撞击热壁面的过程中会发生铺展、反弹、飞溅等运动形式，使液滴呈现不同的铺展直径、反弹高度等动力学特征，从而对液滴和热壁面之间的换热效率产生极大的影响。另外，液滴直径、撞击速度、液膜厚度、壁面润湿性等参数均会对液滴和热壁面之间的换热效率产生影响。赵增武[3]等对单液滴撞击高温钢板表面铺展特性进行的试验研究，结果表明，在相同韦伯数(We)下，液滴速度对铺展因素的影响大于液滴粒径，且随着We增大，液滴最大铺展因素增加。裴毅强[4]等采用激光诱导荧光方法研究不同入射液滴韦伯数、无量纲液膜厚度及液膜黏度对单液滴撞击不同物性流体湿壁面的撞壁现象的影响规律。吴苏晨[5]等基于格子Boltzmann方法建立液滴撞击热壁面的数学模型，研究撞击过程液滴相变传热机制，重点分析壁面温度与We的影响规律。王磊[6]等采用Volume-Fluid(VOF)方法，对单液滴与双液滴撞击恒温壁面上薄液膜的换热特性进行数值模拟分析，结果表明，液滴初始直径越大、速度越快，换热系数越大。黄龙[7]等采用Level Set-VOF法模拟单液滴撞击壁面的铺展行为，探究液滴初速度对液滴撞壁传热特性的影响，结果表明液滴初始速度较大，撞击壁面后发生强烈反弹，液滴在表面回缩破碎及铺展破碎能力加强，导致表面传热系数增大。与单液滴和双液滴撞击热壁面相比，多个液滴连续撞击热壁面的热力学和动力学行为更加复杂，在制造工业、环境工程、航空航天等诸多领域中更为常见[8-9]。连续液滴碰撞热壁面的蒸发过程中，液滴与热壁面及热壁面上附着的热液膜/液池间存在激烈的热交换，使热壁面的温度急剧下降，极大地提高了热壁面的冷却效率。郑明飞[10]采用VOF方法研究不同撞击速度、初始液膜厚度、液滴间距对撞击的影响，结果表明，撞击速度对于液滴撞击过程的影响较大。文中采用试验方法探究不同的碰撞速度和换热方式对连续液滴撞击热壁面传热特性的影响。1试验装置与方法1.1试验装置连续液滴撞击加热壁面的试验装置如图1所示。试验装置包括液滴发生系统、加热系统以及数据采集系统共3部分。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.008.F001图1连续液滴撞击加热壁面的试验装置液滴发生系统由液滴形状分析仪DSA100、计算机和高精度微型注射器组成。去离子水液滴的体积由DSA100控制，直径大小取决于针头直径。液滴的撞击速度v由针头与铜板表面之间的距离决定，试验中液滴的撞击速度为0.63~0.99 m/s。加热系统由铸铝加热板电加热器、热电偶和铜板组成。铸铝加热板电加热器由电源、PID温度控制器和电阻加热元件组成。加热器的加热温度范围为0~350 ℃。铜板放置在铸铝加热板上，为了保持更好的导热性，铜板与电阻加热元件之间采用导热硅脂连接。并将k型热电偶嵌入导热硅脂。采用热电偶测得的温度作为铜板的表面温度。试验数据采集系统由数据采集器GP10和热阻式热流密度传感器组成。数据采集器GP10是横河电气公司生产的横河无纸化记录仪。热阻式热流密度传感器是北京东方峰科技有限公司生产的HS系列热流传感器。试验过程中热流密度计采集的数据传送到计算机进行处理储存。1.2试验方法试验工质为去离子水，产自天津商业大学生物食品学院，最高电阻率为18 MΩ·cm，黏度为100.42 Pa·s，表面张力为72.67 N/m。试验去离子水液滴体积为30 μL，直径约2.8 mm。撞击铜板的电阻率(20 ℃)为0.018 5 (Ω·mm2)/m，热阻忽略不计。试验时利用镊子将铜片从洁净柜中取出，利用镜头清洁湿巾擦拭，固定在加热台上。加热系统将铜板加热至60 ℃（膜状蒸发）和110 ℃（核态沸腾），恒温加热，由液滴发生系统产生频率为15滴/min的连续液滴以0.63 m/s、0.77 m/s、0.89 m/s、0.99 m/s的速度撞击热铜板，通过数据采集系统采集记录连续液滴撞击热铜板过程的热流密度值。2数据处理试验采用热阻式热流密度传感器测量铜板的热流密度值，根据傅里叶定律，当热流通过热流计芯板时，热流计芯板上产生温度梯度，可以得到对于一维稳定导热，通过热流传感器的热流密度为：q=-λΔtΔδ (1)式中：q——热流密度，J/(S·m2)；λ——热流计芯板导热率，W/(m·K)；Δt——芯板两侧温差，K；Δδ——芯板厚度，m。热流计芯板导热率λ、芯板厚度Δδ为已知量，测得芯板两侧温差Δt即可求得热流密度q。采用热电偶测量温差：Δt=U/C (2)式中：U——电压，V；C——热电偶系数。将式(2)代入式(1)，可得：q=-λUδC (3)取Ks=δCλ，Ks为热流计系数，试验采用热流计系数Ks=0.573 (μV·m2)/W。将Ks带入式(3)得：q=-UKs (4)3结果与分析3.1碰撞速度对连续液滴撞击热铜板表面的热流密度的影响（1）膜态蒸发。膜态蒸发换热方式下（铜板表面温度为60 ℃），8滴去离子水液滴以4种不同的速度碰撞热铜板，观察铜板热流密度随时间的变化情况。60 ℃时不同液滴碰撞速度下铜板的热流密度随时间变化如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.008.F002图260 ℃时不同液滴碰撞速度下铜板的热流密度随时间变化由图2可知，液滴撞击热铜板的过程分为两个阶段。第一阶段为液滴铺展阶段，去离子水液滴从高处下落具有一定的动能，在惯性的作用下，液滴接触热铜板表面后，液滴下部的液体迅速铺展，液滴上部的液体继续向下运动，加速液滴铺展，使去离子水液滴达到最大铺展直径，增大了液滴与热铜板之间的接触面积。由于液滴和热铜板表面或铜板表面的液膜之间存在温差，液滴和热铜板之间发生强烈的热交换使第一阶段铜板热流密度值急速增大。第二阶段为液滴弛豫和平衡阶段，液滴达到最大铺展直径后，液滴中心的液体呈薄膜状，液滴周围的液体呈环状凸起，此时液滴周围液体开始回缩至液滴中心，使液滴呈现中心隆起的液层形态，随着时间的推移，液滴在铺展和回缩过程中不断反复，经过几次铺展和回缩过程，液滴逐渐达到平衡状态，在该过程中液滴与热铜板表面或铜板表面液膜的接触面积在减小与增大之间变动，因此铜板热流密度值也上下波动，且去离子水液滴在接触热铜板表面后不断吸收铜板或液膜的热量，导致液滴与热铜板表面或液膜之间的温差减小，因此第二阶段的铜板热流密度值整体小于第一阶段的铜板热流密度值。膜态蒸发换热方式下（铜板表面温度为60 ℃），8滴去离子水液滴以4种不同的速度碰撞热铜板后，铜板表面的最大热流密度值随液滴数量的变化情况。60 ℃时每滴去离子水液滴以不同碰撞速度碰撞热铜板的最大热流密度值如图3所示。去离子水液滴碰撞速度越大，液滴所蕴含的动能越大，所转换为表面能的值越大，液滴与热铜板或铜板表面液膜的接触面积越大，液滴与热铜板或铜板表面液膜换热效果好，导致铜板表面最大热量密度值大。随着液滴数量不断增多，热铜板表面逐渐形成一层去离子水液膜，使液滴与热铜板之间的换热效率降低，铜板表面的最大热流密度值不断减小。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.008.F003图360 ℃时每滴去离子水液滴以不同碰撞速度碰撞热铜板的最大热流密度值（2）核态沸腾。核态沸腾换热方式下（铜板表面温度为110 ℃），8滴去离子水液滴以4种不同的速度碰撞热铜板后铜板热流密度随时间的变化情况。110 ℃时不同液滴碰撞速度下铜板的热流密度随时间变化如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.008.F004图4110 ℃时不同液滴碰撞速度下铜板的热流密度随时间变化由图4可知，时间为4 s时，铜板的热流密度值为0，因为铜板温度为110 ℃，高于去离子水的沸点100 ℃，导致第一滴去离子水液滴在撞击热铜板后发生了剧烈的沸腾蒸发现象。0~4 s时去离子水液滴与热铜板进行快速热交换，使得铜板热流密度激增；4 s时，第一滴去离子水液滴完全蒸发，铜板热流密度变为0。核态沸腾换热方式下热流密度随时间变化的其他规律与膜状蒸发类似。核态沸腾换热方式下（铜板表面温度为110 ℃），8滴去离子水液滴以4种不同的速度碰撞热铜板后铜板最大热流密度随液滴数量的变化情况。110 ℃时每滴去离子水液滴以不同碰撞速度碰撞热铜板的最大热流密度值如图5所示。以0.89 m/s为转折点，液滴撞击热铜板速度小于0.89 m/s时，铜板最大热流密度值随着撞击速度的增大而增大；液滴撞击热铜板速度大于0.89 m/s时，铜板最大热流密度值随着撞击速度的增大而减小。因为液滴撞击热铜板速度过大时，去离子液滴撞击热铜板后迅速铺展，液滴与铜板间的接触面积增大，液滴温度迅速升高，去离子水液滴与热铜板之间的温差变小，降低了液滴与热铜板之间的换热效率，导致铜板最大热流密度值随速度的增大而减小。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.008.F005图5110 ℃时每滴去离子水液滴以不同碰撞速度碰撞热铜板的最大热流密度值3.2换热方式对连续液滴撞击热铜板表面的热流密度的影响8滴去离子水液滴在0.89 m/s的速度下分别连续撞击60 ℃的铜板表面（换热方式为膜状蒸发）和110 ℃的铜板表面（换热方式为核态沸腾），分析铜板热流密度值随时间的变化情况。碰撞速度为0.89 m/s时铜板热流密度随时间的变化如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.008.F006图6碰撞速度为0.89 m/s时铜板热流密度随时间的变化由图6可知，从整体来看，核态沸腾换热方式下，铜板的热流密度值更大，去离子水液滴与热铜板表面的换热量更大，换热效果更好；随着时间的推移，热铜板与液滴之间的温差越来越小，导致铜板热流密度值随时间逐渐变小。8滴去离子水液滴在0.89 m/s的速度下分别连续撞击60 ℃的铜板表面（换热方式为膜状蒸发）和110 ℃的铜板表面（换热方式为核态沸腾）过程中，分析铜板最大热流密度值随液滴数量的变化情况。碰撞速度为0.89 m/s时每滴液滴在不同换热方式下碰撞热铜板的最大热流密度值如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.008.F007图7碰撞速度为0.89 m/s时每滴液滴在不同换热方式下碰撞热铜板的最大热流密度值由图7可知，核态沸腾换热方式下去离子水液滴与热铜板换热效率远高于膜状蒸发条件下液滴与热铜板的换热效率，可以通过改变换热方式提高液滴碰撞热壁面的传热效率。4结语研究了膜状蒸发和核态沸腾换热方式下去离子水液滴以不同碰撞速度撞击热铜板表面热流密度值的变化。结果表明：与膜状蒸发换热方式相比，核态沸腾换热方式下铜板的热流密度值更大。在膜态蒸发换热方式下，铜板热流密度值随速度的增大而增大。在核态沸腾换热方式下，连续液滴撞击热壁面速度较小时，铜板热流密度值随速度的增大而增大；连续液滴撞击热壁面速度较大时，铜板热流密度值随速度的增大而减小。