親水與超疏水高溫球體入水空泡實驗研究

　　摘要:基于高速攝像方法，開展了28°C～350°C范圍內(nèi)不同溫度的親水性與超疏水性球體垂直入水實驗研究，分析了表面潤濕性、水溫、球溫和入水速度對入水空泡形態(tài)特性的影響。結(jié)果表明，在高溫水中，核態(tài)沸騰階段的汽泡擾動使親水球體可以在較低入水速度下形成完整的粗糙空泡，超疏水球體受到核態(tài)沸騰和疏水性的耦合影響產(chǎn)生褶皺的光滑空泡，超疏水球體可以在較低溫度下進(jìn)入膜態(tài)沸騰階段形成光滑的入水空泡，并且相比于親水球體，隨著入水速度的增加空泡壁面不易受到擾動;在低溫水中，當(dāng)球溫較高時，穩(wěn)定的蒸汽膜較難維持，超疏水球體可以產(chǎn)生比親水球體更完整的空泡。

　　關(guān)鍵詞:高溫球體,入水空泡,超疏水,沸騰

　　運動體沖擊液面進(jìn)入液體的過程中會發(fā)生復(fù)雜的流動現(xiàn)象，并伴隨有噴濺和空泡的形成。入水問題與航空航天、航海和軍事應(yīng)用息息相關(guān)[1-3]。入水空泡的存在會對空投魚雷、入水導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)和彈道特性產(chǎn)生很大的影響，因此入水空泡問題一直受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Worthington等[4]利用閃光照相機首次得到了噴濺和空泡圖像，分析了速度，液體黏度、密度、表面張力等因素對噴濺特性的影響。

　　May[5]研究了球體表面特性對入水空泡的影響，結(jié)果表明表面被污染的球體相比于表面光潔的球體可以在較小的入水速度下形成空泡。近年來運動體的表面潤濕性對入水問題的影響逐漸得到關(guān)注。Duez等[6]結(jié)合實驗和理論研究，推導(dǎo)出可以形成空泡的臨界速度與球體表面潤濕性的關(guān)系式。Duclaux等[7]對疏水性球體入水空泡的演化過程進(jìn)行了理論推導(dǎo)，得到的空泡深閉合位置與實驗結(jié)果有較好的一致性。

　　孫釗等[8]采用VOF多相流模型對親水性及疏水性球體的入水空泡特性進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果有較好的一致性，研究結(jié)果表明親水性球體在下落過程中受到的阻力較小。目前僅有少數(shù)學(xué)者研究球體溫度對入水空泡形成及形態(tài)特性的影響。Marston等[9]采用相比于水具有較低沸點和汽化潛熱的氟化液體，研究了溫度對空泡形成的影響，結(jié)果表明當(dāng)球體溫度遠(yuǎn)高于氟化液體沸點時，落入液體后球體周圍形成一層由膜態(tài)沸騰產(chǎn)生的穩(wěn)定蒸汽膜，并使球體可以在較低速度下形成具有光滑壁面的空泡。

　　李佳川等[10]開展了不同溫度球體垂直入水實驗研究，結(jié)果表明，隨著溫度的變化，球體與周圍水之間的傳熱方式與傳熱強度發(fā)生改變，汽化產(chǎn)生的汽泡擾動或穩(wěn)定的蒸汽層改變了球體周圍水的流動狀態(tài)，從而影響了空泡的生成和形態(tài)。本文對高溫親水性與超疏水性球體入水空泡的演化特性進(jìn)行了實驗研究，首次研究了球體表面潤濕性與溫度的耦合作用對入水空泡形態(tài)特性的影響。

　　本文首先對比了室溫環(huán)境下，親水球體和超疏水球體的入水空泡形態(tài)，然后進(jìn)行了親水性與超疏水性高溫球體水中靜止冷卻過程沸騰形態(tài)特性實驗研究，最后采用高、低兩種溫度水，研究了親水性與超疏水性球體在核態(tài)沸騰和膜態(tài)沸騰階段的入水空泡形態(tài)特性，分析了水溫、球溫、入水速度和表面潤濕性對入水空泡形態(tài)特性的影響。

　　1實驗系統(tǒng)及方法

　　球體為未經(jīng)處理的Gcr15軸承鋼，直徑D0=20mm，密度ρs=7810kg/m3，由制造商給出的球體平均粗糙度為Ra<0.06μm。實驗前先后用酒精和水對球體表面進(jìn)行清洗，以排除表面玷污對實驗的影響。

　　水箱由鋼化玻璃與耐熱玻璃膠制成，高度為60cm，截面尺寸為30cm×30cm，底部鋪有耐熱緩沖膠墊以防止球體沖擊和高溫?fù)p壞底部玻璃。為防止水面噴濺對拍攝產(chǎn)生影響，實驗過程中水面高度保持在50cm。用加熱設(shè)備加熱水箱中的水，并用攪拌棒進(jìn)行攪拌，使水溫均勻。用馬弗爐將球體加熱到指定溫度并維持40min以上，當(dāng)水溫達(dá)到指定溫度后，將球體取出放置在電磁釋放裝置上并立即進(jìn)行入水實驗。實驗所采用的水溫為Tw=28°C和95°C，球體的初始溫度Ts=28°C～350°C，實驗期間室溫為28°C±2°C。

　　實驗采用PhotronFASTCAMSA-X型高速攝像機對球體入水現(xiàn)象進(jìn)行拍攝，拍攝幀率為5000fps。實驗中使用一組6×500W的點陣光源通過柔光屏散射后照射水域，以達(dá)到均勻的背景光照環(huán)境，部分實驗采用前照燈，來觀察入水后球體表面的流動狀況。通過處理圖像數(shù)據(jù)可以得到入水速度U0。為保證實驗的可重復(fù)性，每組實驗均進(jìn)行兩次以上。超疏水性球體采用商業(yè)涂層溶劑(GlacoMirrorCoat“Zero”，Soft99Co.)進(jìn)行制備。先后用水和酒精清洗球體表面，待球體表面自然干燥后向球體傾倒涂層溶劑，一薄層液體將球體潤濕，并在一分鐘內(nèi)干燥，在300°C溫度下加熱球體半個小時，并重復(fù)這個過程3～4遍。

　　球體可以保持其超疏水性直至溫度到達(dá)400°C。超疏水球體制備前后表面液滴形態(tài)圖。其中制備前液滴與球體表面的接觸角約為30°，表現(xiàn)為親水性，制備后液滴與球體表面的接觸角約為160°，表現(xiàn)為超疏水性。2室溫球體入水空泡形態(tài)Duclaux等提出，當(dāng)入水速度超過臨界速度時，球體會產(chǎn)生入水空泡，低于這個臨界速度時球體將無法形成入水空泡。

　　為親水性球體入水形態(tài)，球體溫度與水溫均為室溫(28℃)。當(dāng)入水速度較低時無空泡產(chǎn)生，液面以上僅有一段細(xì)小的水柱隆起，當(dāng)入水速度較高時，有較完整的入水空泡形成，將球體的后半部分完全包裹。球體撞擊水面瞬間，有一層較薄的濺水膜產(chǎn)生，濺水膜的運動方式?jīng)Q定著入水空泡能否形成。濺水膜緊貼球體表面運動，球體將無法形成入水空泡，濺水膜在撞水后與球體表面發(fā)生分離，空氣進(jìn)入濺水膜與球體之間的空隙隨著球體一同向下運動，形成入水后的空泡，黑色箭頭所示為該時刻濺水膜在球體表面運動的末端位置。

　　Duez等的研究表明，球體入水空泡臨界速度的大小與球體表面的潤濕性有關(guān)，球體表面疏水性越高，入水空泡臨界速度就越低，當(dāng)球體表面為超疏水性時，及疏水角大于150°時，臨界速度逐漸趨于0。不同入水速度條件下超疏水表面球體的入水空泡形態(tài)對比，球體溫度與水溫均為室溫(28℃)。超疏水性球體可以在極低的入水速度條件下形成入水空泡，親水性球體空泡壁面比較粗糙，疏水性球體空泡壁面比較光滑。

　　3高溫球體水中冷卻形態(tài)

　　將加熱到350°C的球體，快速放置在電磁裝置上，將球體緩慢地浸入95°C水中并保持靜止，進(jìn)行高溫球體水中自然冷卻實驗，高溫球體在95°C水中冷卻過程沸騰形態(tài)。在球體浸入水中的初始階段，由于球體壁面溫度較高，球體周圍汽化成的水蒸汽快速匯聚在一起，在球體表面形成一層蒸汽膜，球體處于膜態(tài)沸騰階段。

　　由于水蒸汽的傳熱能力遠(yuǎn)小于水，球體與周圍水的熱量傳遞較弱，因此該沸騰階段進(jìn)行得比較平緩。蒸汽膜在浮力的作用下向上運動，使蒸汽膜表面發(fā)生波動，并在球體頂部形成蒸汽堆積，隨著時間的增加，波動與堆積現(xiàn)象減弱。對于親水性球體，隨著時間的增加，球體表面溫度降低，當(dāng)達(dá)到25.3s時，球體表面溫度無法維持蒸汽膜，蒸汽膜發(fā)生破裂，沸騰現(xiàn)象比較劇烈，此后球體與周圍水直接接觸，進(jìn)入核態(tài)沸騰階段，當(dāng)達(dá)到37.3s時，沸騰現(xiàn)象基本消失。

　　對于超疏水性球體，球體的整個沸騰過程均處于膜態(tài)沸騰階段，在球體冷卻過程的初始階段，較高的壁面溫度使蒸汽膜維持在球體周圍，當(dāng)壁面溫度逐漸降低時，球體表面的疏水特性維持著蒸汽膜，在蒸汽膜逐漸變薄并消失的整個過程中，蒸汽膜均沒有發(fā)生破裂，沸騰過程進(jìn)行得比較平穩(wěn)。

　　對于親水性球體，由于水的溫度較低，汽化的強度較弱，生成的汽泡較小，在球體表面汽化生成的水蒸汽難以匯聚在一起形成蒸汽膜。對于超疏水性球體，由于表面微觀特性的影響，表面結(jié)構(gòu)貯存有空氣，僅有小部分面積與水實際接觸，汽化的汽泡與留有的空氣混合在一起較易形成蒸汽膜，蒸汽膜的存在使光線發(fā)生折射，使球體看起來比實際小。

　　在28°C水中，由于水溫較低生成的蒸汽較少，蒸汽膜較薄，蒸汽膜表面不存在波動，且在球體頂端匯聚的蒸汽較少。495°C水中高溫球體入水空泡形態(tài)不同入水速度200°C的親水性球體落入95°C水中的入水空泡形態(tài)。將球體加熱到200°C，球體入水后發(fā)生核態(tài)沸騰，不斷有汽泡在球體周圍產(chǎn)生。

　　李佳川等[10]的研究表明，擾動的汽泡增強了球體表面流動的湍動性，使球體在較小速度下可以形成入水空泡。200°C親水球體在較小的速度下便形成了完整的入水空泡。與超疏水性室溫球體低速入水形成的光滑空泡壁面不同，200°C的親水性球體形成的空泡壁面由于汽泡的擾動變得比較粗糙，且隨著入水速度的增加，擾動逐漸增強。當(dāng)速度達(dá)到5.6m/s時，汽泡波動較強，在水力作用下，空泡壁面隆起部分向上傳遞。

　　將球體加熱到350°C，在1.2m/s入水速度條件下形成了類似于常溫超疏水性球體入水時形成的光滑空泡。一滴液滴沖擊固體壁面，如果壁面是疏水的，液滴撞擊后會發(fā)生反彈。Biance等[11]的研究指出，當(dāng)液滴沖擊溫度足夠高的固體壁面時，在液滴與壁面之間會形成較薄的一層蒸汽膜，這層蒸汽膜會使液滴撞擊后發(fā)生反彈。

　　因此，膜態(tài)沸騰階段的蒸汽膜可能與疏水性具有相同的特性。從Quéré[12]的研究中可以發(fā)現(xiàn)，液滴與300°C金屬板之間的接觸角約為160°，進(jìn)一步證明了膜態(tài)沸騰階段產(chǎn)生的蒸汽膜具有疏水特性。說明沸騰階段從核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)化為膜態(tài)沸騰，一層穩(wěn)定的蒸汽膜在球體表面生成。使液滴反彈所需要的固體壁面的最低溫度稱為Leidenfrost溫度，此時汽化產(chǎn)生的蒸汽壓力剛好可以克服液滴的動態(tài)壓力。

　　類似的情況，蒸汽膜的壓力可以克服球體下落過程中受到水的動壓，隨著入水速度的升高，蒸汽膜受到水的動壓增大，無法維持穩(wěn)定，不穩(wěn)定的蒸汽膜使空泡壁面受到擾動，形成不穩(wěn)定的入水空泡。

　　528°C水中高溫球體入水空泡形態(tài)

　　親水與超疏水球體和28°C超疏水球體在1.2m/s入水速度條件下，落入28°C水中的空泡形態(tài)對比。Yagov等[13-14]的研究表明，在低溫度水中，穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰很難發(fā)生，隨著水溫的升高，存在一種特殊的膜態(tài)沸騰階段，該階段的傳熱強度遠(yuǎn)高于穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰階段，沸騰現(xiàn)象非常劇烈。沸騰階段處于核態(tài)沸騰末期階段或擾動的特殊膜態(tài)沸騰階段，在本文中并沒有對具體的沸騰階段進(jìn)行深入研究。強烈的擾動使球體無法形成入水空泡，在球體尾部存在劇烈汽化形成的蒸汽云。

　　6結(jié)論

　　本文通過實驗方法研究了高溫親水性與超疏水性表面球體入水空泡形態(tài)特性，分析了表面潤濕性、水溫、球溫和入水速度對入水空泡形態(tài)特性的影響，主要得到以下結(jié)論:

　　(1)對于28°C室溫球體與室溫水，親水性表面球體在較高速度下才可以形成入水空泡且空泡壁面比較粗糙，超疏水性球體在較低入水速度下便可以形成入水空泡且空泡壁面比較光滑。

　　(2)350°C親水性球體在95°C水中的冷卻過程首先處于膜態(tài)沸騰階段，一層蒸汽膜包裹在球體表面，溫度降低后蒸汽膜發(fā)生破裂進(jìn)入核態(tài)沸騰階段，350°C親水性球體浸入28°C水中立即進(jìn)入核態(tài)沸騰階段;350°C超疏水性球體在95°C和28°C水中的整個冷卻過程中，一直處于膜態(tài)沸騰階段，沒有發(fā)生蒸汽膜破裂過程直到沸騰現(xiàn)象逐漸消失。

　　(3)200°C親水性球體落入95°C水中，由于核態(tài)沸騰產(chǎn)生的汽泡擾動，在1.2m/s的較低入水速度下便形成了粗糙的入水空泡，隨著速度的增加擾動加劇，空泡壁面更加粗糙，當(dāng)球體溫度達(dá)到350°C時，在1.2m/s入水速度下，球體周圍生成了穩(wěn)定的蒸汽膜，形成了光滑的入水空泡，隨著速度的增加，蒸汽膜的擾動使空泡壁面發(fā)生擾動。

　　(4)150°C超疏水球體落入95°C水中，受到疏水性與溫度的耦合影響，生成了帶有褶皺的光滑空泡，當(dāng)溫度達(dá)到200°C，球體周圍形成的穩(wěn)定蒸汽膜使入水空泡壁面變得光滑;相比于親水性球體，超疏水球體在較低溫度下便可以發(fā)生穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰，且隨著入水速度的增加光滑的空泡壁面不易受到擾動。

　　(5)在28°C水中，穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰較難發(fā)生，對于350°C的親水性球體，由于劇烈的沸騰強度影響，無法生成較完整的入水空泡;對于350°C超疏水性球體，由于疏水性的影響，在1.2m/s入水速度下可以生成部分空泡，隨著速度的增加可以生成較完整的空泡。

　　參考文獻(xiàn)

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　　物理方向評職知識：《現(xiàn)代物理知識》(雙月刊)創(chuàng)刊于1976年，是由中國科學(xué)院主管、中國科學(xué)院高能物理研究所主辦的物理學(xué)科普期刊。辦刊宗旨：介紹科學(xué)技術(shù)知識、推廣科技成果、提高全民族科須技術(shù)水平;陶冶讀者的科學(xué)情趣，促進(jìn)中外交流。讀者對象：科學(xué)工作者、教育工作者、科學(xué)管理干部、大學(xué)生、中學(xué)生和其他物理學(xué)愛好者。

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