3.結果分析與討論

3.1液滴尺寸、速度和黏度對塵−霧附著特性的影響

基於前人的實驗結果以及筆者的數值模擬結果，筆者將液滴與固體顆粒的碰撞行為分為4種類型：反彈(A)、完整並聚(B)、包裹後撕裂(C)、膜狀飛濺(D)，如圖8所示。為定量描述碰撞後液體在顆粒表麵的附著量，筆者將碰撞後顆粒表麵最終附著液體體積與碰撞前液滴體積之比定義為液體附著比例(ψV)。在雷諾數(Re)與韋伯數(We)很小時，液滴發生碰撞後會發生完全反彈現象。在此條件下顆粒上無液體附著，即液體附著比例ψV=0；當Re與We增大到一定程度，液滴碰撞顆粒後會與顆粒完整並聚，此時液體不脫離顆粒，即ψV=1；隨著Re與We繼續增大，液滴包裹顆粒後會發生撕裂現象，部分液體脫離顆粒，即0<ψV<1。隨著Re與We繼續增大，附著比例ψV會逐漸減小；當Re與We很大時，液滴在與顆粒碰撞的瞬間便會以液膜形態飛濺，碰撞後僅有極少液體附著在顆粒表麵，ψV趨近於0。

圖8固−液顆粒在不同速度情況下碰撞的不同行為

為進一步研究碰撞參數與顆粒表麵液體附著量之間的定量關係，按照表5第1行中設置的碰撞條件，在不同的霧滴尺寸、碰撞速度和黏度條件下開展了數值模擬計算。依據模擬結果中對顆粒表麵的液體附著量進行統計，其中圖9a展示了液滴黏度為1.04 mPa·s時顆粒粒徑dp和碰撞速度v0對液體附著比例ψV的影響。當dp分別為0.2、1和5μm時，數據曲線具有相似的變化趨勢。數據曲線的轉折點反應了不同碰撞行為類型之間的臨界點。由於顆粒粒徑不超過5μm時，奧內佐格數Oh的取值小，黏性力對動能的耗散作用強。因此，即使液滴以極低的速度v0碰撞疏水顆粒，也未觀察到反彈現象。對於顆粒粒徑dp分別為0.2、1和5μm的碰撞條件，當v0分別低於104.4、35和20.5 m/s時，碰撞現象為完整聚並，如圖8中B組所示，對應ψV=1；當v0的範圍分別為104.4～138.1、35～57.5和20.5～23.5 m/s時，碰撞現象為包裹後撕裂，如圖8中C組所示，碰撞後的液體附著比例ψV隨著v0的增加而快速降低；當v0的範圍分別為>138.1、>57.5和>23.5 m/s時，碰撞現象為膜狀飛濺，如圖8中D組所示，其特征在於ψV隨著v0的增加而緩慢降低。

圖9不同條件下數值模擬出的液滴附著比例

對於顆粒粒徑dp分別為25μm和125μm的碰撞條件，當v0分別低於4.7 m/s和2.1 m/s時，將發生完全反彈現象，如圖8中A組所示，對應ψV=0；當v0的範圍分別為7.4～9.3 m/s和2.1～3 m/s時，碰撞現象為完全並聚，如圖8中B組所示，對應ψV=1；當v0的範圍分別為4.7～7.4 m/s和3～4.2 m/s時，碰撞後的液體附著比例ψV隨著v0的增加而快速降低；當v0的範圍分別為>7.4 m/s和>4.2 m/s時，碰撞現象為膜狀飛濺，見圖8中D組所示，表麵產留液體比例極低ψV，如圖9a所示。

值得注意的是當dp≥25μm時，在低速碰撞條件下有“反彈(A)”現象發生，且在高速碰撞條件下發生“膜狀飛濺(D)”時ψV≈0；而當dp≤5μm時，在低速碰撞條件下無“反彈(A)”現象發生，且在高速碰撞條件下發生“膜狀飛濺(D)”時ψV顯著大於0。總體上看，塵、霧粒徑越小，碰撞後液體越傾向於附著在顆粒表麵。其原因在於塵、霧顆粒直徑越小，We和Re值越小，黏性力和表麵張力對碰撞行為的影響越大。強黏性力會導致液滴在形變過程中損失大量的機械能，而高表麵張力會阻礙液滴在顆粒上鋪展。由於同樣的原因，減小模型液滴的直徑，會導致“完整聚並(B)”和“包裹後撕裂(C)”兩種現象之間的臨界速度升高。並且可觀察到，隨著塵、霧顆粒直徑下降，“膜狀飛濺(D)”時顆粒表麵液體附著比例ψV也顯著上升。

筆者還進一步探究不同液滴黏度對附著量的影響，按表5第2行所設置的條件開展了數值模擬計算。圖9b展示了在液滴黏度μ=5.2 mPa·s和μ=1.04 mPa·s 2種情況下的v0–ψV曲線(工況條件設置見表4)。當μ增大，“完整並聚(B)”與“包裹後撕裂(C)”2種碰撞行為之間的臨界速度隨之增大。此外，“包裹後撕裂(C)”和“膜狀飛濺(D)”2種狀態中的液滴附著比例分數ψV也隨μ的增大而上升。這是因為在其他條件相同的情況下，μ越高對應於Re值越高，這導致塵−霧碰撞過程中液體黏性力摩擦引起的機械能損失顯著增大。因此，隨著μ的增加，附著在顆粒上的液體比例ψV增大。

由於上述曲線具有類似的變化趨勢，筆者基於黏性力和慣性力對碰撞行為的影響，圖9b中的橫縱標由碰撞速度轉換為雷諾數Re，得到圖9c。可觀察到在“膜狀飛濺(D)”行為發生區域，以μ=5.2 mPa·s條件下得到的曲線與μ=1.04 mPa·s的曲線重合性較好。對“膜狀飛濺(D)”行為區域的數據進行擬合得到方程：

當μ=5.2 mPa·s時，雖然在低速碰撞條件下仍能觀察到反彈現象，但相較於μ=1.04 mPa·s時，反彈行為得到了明顯的抑製。在高速碰撞條件下，高黏度液滴在顆粒表麵的附著量也明顯大於低黏度液滴。這是因為，隨著黏性力的增加，碰撞過程中機械能損失增大。對於μ=5.2 mPa·s的液滴，即使顆粒具有高疏水性(α=168.4°，β=91.4°)，“膜狀飛濺(D)”行為發生時也有部分液體最終附著在塵粒上。