单液滴撞击冷板面的实验和模拟
徐庆;王瑾;李苗苗;李占勇iu queen
【摘 要】用实验和模拟的方法研究了直径为3.2 mm的单个蒸馏水液滴与冷板面（温度低于273 K）撞击铺展和固化过程，分析了撞击高度(100、250、500 mm)、板面温度(253、268 K)、板面倾角(0°、30°和60°)对撞击过程的影响以及液滴在冷板面上冻结过程。并模拟了单个普鲁兰多糖溶液液滴在撞击高度为100 mm、板面温度为253 K的过程。结果表明，撞击高度与板面温度对液滴在水平冷板面的铺展过程起到重要作用，板面倾角会影响液滴撞击倾斜板面时的冷冻沉积。物料的黏度会影响液滴冷冻沉积时的铺展速率及铺展直径，而对于较高黏度物料，温度并不起决定作用。模拟和实验结果吻合较好，反映了液滴铺展冻结过程中的温度变化，有利于直观解释液滴发生冻结的状况。%The impact spread and solidification of single distilled water droplet of 3.2 mm in diameter at 293 K on a cold plate with temperature below 273 K was studied by both experiment and simulation. The impact heights (100, 250, 500 mm), cold plate temperatures (253, 268 K), and cold plate inclined angles (0°, 30° and 60°) were assd for effects on the spreading and solidifying process.
The impact process of a pullulan solution droplet at a height of 100 mm on a cold plate at 253 K was simulated and compared to that of a distilled water droplet. The results showed that both impact height and horizontal cold plate temperature played an important role in the droplet spreading process whereas inclined angle of cold plate affected freezing deposition of the droplet. Droplet viscosity affected spreading rate and diameter of freezing deposition. Temperature was not a determinant factor for highly visco materials. A good alignment between simulation and experimental results indicated that temperature change of the droplet in spreading and freezing process would help to directly explain droplet solidification.
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2016(067)010
【总页数】9页(P4160-4168)
【关键词】蒸馏水单液滴;普鲁兰多糖;冷板面;水平集方法;固化模型
【作 者】徐庆;王瑾;李苗苗;李占勇
【作者单位】天津科技大学机械工程学院，天津 300222; 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津 300222;天津科技大学机械工程学院，天津 300222;天津科技大学机械工程学院，天津 300222;天津科技大学机械工程学院，天津 300222; 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津 300222
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ051
喷雾冷冻干燥是一种新型的颗粒制备工程技术，产品具有尺寸可控、多孔、速溶、流动性好等优点[1]。但是随着此技术的应用，出现了雾化液滴在设备壁面的冷冻沉积问题，不仅造成产品收集率的下降，而且还会对产品造成二次污染，影响设备的传热传质速率。液滴的冷冻沉积已变成喷雾冷冻干燥应用中的一个新挑战，研究液滴在冷板面上的撞击和铺展机理有助于解决液滴在设备壁面的冷冻沉积问题。
喷雾流体的物理特性（如黏度、密度、表面张力、比热容以及汽化潜热等）、流量、压力
、液滴速度、液滴数密度、液滴直径以及过冷度等均会影响到液滴的喷雾特性[2]。雾化液滴在板面上冷冻沉积过程中的传热机理比较复杂，影响因素有很多，大量雾化液滴的行为很难直接分析。因此研究者们一般对单液滴直接撞击壁面的实验或者计算流体力学模拟的方法进行研究。Huang等[3]研究了表面静态接触角不同对水滴冻结的影响，实验表明接触角越大，液滴所需的冻结时间越长。Xu等[4]对液滴撞击不同温度、不同倾斜角度、不同材料的板面的现象进行了实验研究，观察了不同速度的液滴撞击板面后的铺展和冻结情况，计算出单液滴的铺展直径和铺展因子，并得到影响冷冻沉积的因素。在模拟方面，Tabakova等[5]研究了不同形状的水液滴在过冷状态下在冷表面上的冻结，对于液滴的移动边界使用改进的焓值法进行求解。耿县如等[6]利用数值模拟的方法研究了喷雾冷冻法不同参数条件对单个液滴冻结过程的影响，液滴冻结受到液滴大小、气体流速以及环境温度的影响，可作为分析液滴撞击板面后冻结过程的理论依据。
实验研究虽然直观，但是也有一些关键的数据无法测得，如液滴的固化程度及温度分布等，因此可以通过单个液滴撞击冷表面的流动和传热情况来分析单一参数对单液滴固化过程的影响。液滴撞击表面的过程可以看作是存在相变的自由表面流动问题，因此需要对相界面的变化进行追踪，对于气液两相流很多学者采用VOF法进行分析。Gunjal等[7]使用VO
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F法建立了单液滴撞击壁面的模型，研究了液滴的大小、黏性、表面张力以及撞击的速度对液滴铺展直径及液滴高度的影响，并考虑了求解区域和边界条件对模拟结果的影响。Bussman等[8]利用相机拍摄的单液滴撞击45°的倾斜壁面的照片提取出斜面上的前进和后退接触角，将其作为边界条件加入VOF模型中，模拟液滴的动态特性。Strotos等[9]将传热方程与VOF模型耦合，对不同的液滴Weber数、液滴尺寸以及壁面温度和固体材料属性进行计算，模拟了液滴撞击固体热壁面过程中液滴的形态变化以及液滴与壁面之间的换热。对于金属液滴撞击板面的固化过程，研究者们主要对流体的焓值变化量进行追踪。Kumar等[10]模拟铝铜质量比为3:1的合金金属液滴撞击不锈钢板面，在动量方程中加入了源项对液滴的焓值变化进行描述，加入了潜热的变化修正能量方程。Pasandideh-Fard等[11]模拟锡液滴撞击25～240℃的不锈钢板面的铺展及凝固过程，使用SOLA-VOF模型，以实验测得的接触角及液滴界面底部的传热系数为边界条件。Voller等[12]采用固定网格，将温度作为自变量得出关于焓值的函数，定义液滴为全液相和全固相时孔隙率分别为1和0，将流体速度和孔隙率相乘，将结果加入Navier-Stokes方程中的源项部分对方程进行修正。Marin[13]根据上述理论结合水平集方法，对具有高黏度、高密度铝液滴（直径为2 mm）撞击高温板面固化过程进行模拟，结果表明此方法可用于液滴固化部分的模拟。
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本文基于以往的研究[14]，将Sussman等[15]研究的水平集方法和Marin[13]的固化部分方程结合，模拟低密度、低黏度的蒸馏水液滴撞击冷板面的铺展和固化情况，并与实验进行对比[4]，对计算模型进行改进，模拟黏度较大的普鲁兰多糖溶液液滴的铺展和固化情况。
合肥mba1.1 实验装置
紫色配什么颜色如图1所示，实验中采用高速相机（StreamVIEW-LR Portable，SVSi，美国）拍摄液滴下落及撞击冷板面的过程。拍摄速率为200帧/秒，分辨率是640×480，实验过程中高速相机垂直于撞击表面进行拍摄。单液滴发生器采用注射泵（Top5300，日本）与注射器联结，实验时将注射泵的流量设定为10 ml·h-1。本实验选取的固体板面材质为不锈钢板，其表面粗糙度Ra=1.6 μm。本实验采用的低温制冷系统是低温冰箱（DW-60W156，海尔），用来控制置于其中的板面温度，板面温度显示使用海尔智能温度记录仪（T 型热电偶，-100～120℃）。
1.2 实验条件
单液滴发生器生成液滴的大小与液滴的表面张力和针头外径有关[5]，实验使用针头的外径
为0.74mm，用计算的方法算得液滴的初始直径为3.2 mm。称量100滴液滴的质量对计算结果进行校验，得到液滴初始的平均直径为3.17 mm。取计算结果作为液滴直径的初始值。
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Brazier-Smith等[16]总结了壁面温度低于1000℃发生振荡和反弹时临界Weber数的经验公式
We≥Wecrit时发生破碎和附着，否则发生反弹。根据液滴初始条件计算得针头产生液滴的临界Weber数为216。本实验利用自由落体公式计算液滴的碰撞速度，从而反算得到液滴下落临界高度为220 mm，因此本实验中液滴撞击高度H分别为100、250、500 mm。
sure是什么意思石家庄出国留学中介由于喷雾冷冻干燥室的温度通常为269～233 K，故实验用不锈钢板面的温度控制在268 K和253 K两个操作条件下，实验板面的倾斜角度选取0°、30°、60°。每次实验均经过3次以上重复。
2.1 控制方程
实力英文2.1.1 流体流动 液滴和空气的动量守恒使用不可压缩Navier-Stokes方程描述
连续性方程表示为
六级作文模板2.1.2 水平集方法 水平集方法用于追踪不可压缩两相流相界面的模拟计算，水平集方法的基本思想是将气液相界面的运动用一个高阶的函数（水平集函数j）来表示。在本文中，根据水平集函数的取值不同来表达连续相和分散相(0<j<1)，其中连续相的取值小于0.5，分散相的取值大于0.5，两相交界自由表面取值为0.5。
