2.Leidenfrost現象的動力學及傳熱學特性

為了研究液滴撞擊高溫球面過程中液滴與氣膜的動力學及傳熱學特性，以液滴撞擊623.15 K球面為例展開模擬，液滴的撞擊速度為0.348 m/s,尺寸為d=1.61 mm,We=8.6.圖4展示了液滴撞擊過程中速度場、溫度場及壓力場的變化，圖5展示了液滴撞擊過程中流場的變化。

圖4液滴速度場、壓力場和熱流密度情況

圖5液滴撞擊球面的流場分布

從圖中可以看出，0 ms時，液滴開始接觸壁面，液滴主要在慣性力作用下沿球表面快速鋪展，受球面形狀的影響，重力對液滴的鋪展起到一定作用，液滴通過克服黏性損失和液滴變形將動能轉化為表面能；1.5 ms時，由于蒸汽積壓，液滴底部呈扁平狀，此時氣膜較薄，底部球面上存在熱流密度明顯較大的環狀區域，同時液滴運動方向由軸向開始轉變為徑向；3.0 ms時，隨著液滴繼續鋪展，流體向液滴前端積聚，徑向速度與壓力都開始減小，同時，液滴下方蒸汽流出后，周圍空氣沿球面流向液滴底部，形成回流；4.5 ms時，液滴達到最大鋪展，隨后，在表面張力的作用下開始收縮，外部環狀區域壓力與速度都較小，中心點處氣膜較薄，具有較高的熱流密度，同時，因為液滴形成了中間低四周高的結構，周圍氣流形成多個渦流；6.0 ms時，液滴逐漸收縮，外側速度與壓力明顯小于中心內部，且液滴運動方向由原來的周向變為軸向，中心區域與外側氣膜厚度都較薄，且中心區域更薄，因此熱流密度更大，多個渦流都在遠離液滴；7.5 ms時，液滴進一步收縮，外側速度與壓力都在升高，軸向方向速度減弱，由于液滴底部氣膜厚度不均勻，導致球面熱流密度分布呈多環形，不同區域差異較大，同時，因為液滴底部壓力較高，對底部氣膜擠壓作用較強，使氣流逸散速度進一步提高；9.0 ms-13.0 ms階段，液滴逐漸脫離壁面，壁面熱流密度隨之減小，直到液滴完全脫離壁面，周圍氣流在液滴的帶動下逐漸沿軸向遠離球面，壁面附近氣流速度逐漸減小。

通過圖5也可以看出，液滴底部氣體流速隨著氣膜厚度的減小而增大，在1.5 ms、6.0 ms和7.5 ms時，熱流密度增大的區域也都出現了顯著的氣流速度增大。氣流從液滴底部逸散后會出現兩種流動方向：一是流向液滴方向，因為液滴周圍氣體流速較大壓強較小，底部排出的氣體流動會偏向液滴，并沿液滴表面流動形成渦流，當t=1.5 ms時液滴周圍渦流較為明顯；二是繼續沿逸散方向流動，此時出口流速較大，會吸引壁面氣體向出口處流動，當流動到出口附近處與流出氣體匯合繼續向外流動形成渦流，t=3.0 ms時貼壁渦流較為明顯。

研究結果表明，液滴撞擊壁面時，底部存在徑向的泊肅葉流動，為模擬液滴底部氣流的流動，采用足夠精密的網格，以確保可以捕捉到氣流的動力學及傳熱學現象。圖6為液滴底部氣膜流場的具體情況，與上文工況條件相同，分別為0 ms、3.0 ms、4.5 ms和6.0 ms的工況。在t=0 ms時，蒸汽層流速顯著高于其它位置，這與蒸汽層中導致高蒸發速率的熱梯度一致。在t=0 ms和t=3.0 ms時，可以明顯觀察到蒸汽層區域的泊肅葉流。t=4.5 ms時，液滴已經到達最大鋪展情況并開始收縮，蒸汽層內氣流流動方向與前面不同，頸部氣流存在相反的流動，這是因為液滴收縮的帶動作用使氣流流向軸線，在徑向中部存在一個較大的氣室，內部向外流動與頸部向內流動的氣流在此處碰撞匯聚，沿液滴表面形成了渦流。此外，在氣室頂部也可以觀察到渦流的存在。t=6.0 ms時，底部氣流依舊存在兩個方向，可以看出向氣室內流動的泊肅葉流貼附在液滴表面，而貼近壁面處的氣流速度較低，可以說明這里的氣流流動主要是液滴的運動主導的。收縮過程中，底部氣流速度明顯大于鋪展階段底部氣流速度。

圖6液滴撞擊球面的局部流場

圖7展示了不同球面位置處氣膜厚度、壁面壓力及熱流密度，從圖中可以看出壁面熱流密度及壓力與氣膜厚度的對應關系。當t=0.0 ms時，液滴即將撞擊球面，此時中心點氣膜厚度最薄，對應的壁面位置壓力與熱流密度都高于其它位置；t=1.5 ms時，液滴向四周鋪展，在距液滴中心大約1 mm處氣膜厚度達到最低，可以看出熱流密度與壓力都在此處發生驟增，在距離液滴中心更近的位置又因氣膜厚度增大而驟減，顯然壓力與熱流密度都與氣膜厚度成反比；t=3.0 ms時，液滴繼續鋪展，邊緣處氣膜厚度升高，熱流密度與壓力都在降低，而邊緣至中心位置氣膜厚度降低，熱流密度略有升高，但氣膜厚度波動較大，因此熱流密度與壓力也出現了不同程度的波動；t=4.5 ms時，液滴鋪展達到最大，中心位置與邊緣處氣膜厚度都在減小，中心位置氣膜厚度更小，此處熱流密度與壓力增幅更大；t=6.0 ms時，液滴開始彈跳，中心及邊緣處所受壓力增加；t=7.5 ms時，中心位置氣膜厚度較低且波動較大，因此中心位置壓力及熱流密度都發生了振蕩，變化幅度較大；t=9.0 ms-15.0 ms時段，液滴逐漸脫離熱壁面，氣膜厚度發生變化，壓力與熱流也隨之變化，直到液滴脫離壁面。

圖7氣膜形狀及對應的熱流密度和壓力

從圖7可以看出，相對于壓強的變化情況，壁面的熱流密度與氣膜的相關性更強，氣膜厚度的變化會引起熱流密度的變化。圖8是液滴撞擊過程中壁面平均熱流密度及氣膜不同特征參數隨時間的變化情況，圖8（a）是壁面平均熱流密度，可以看出，平均熱流密度的變化情況受液滴中心氣膜厚度影響較大，在前期鋪展階段中心氣膜厚度出現明顯波動時熱流密度也相應波動，在液滴收縮階段，熱流密度變化明顯與頸部氣膜厚度成正相關；圖8（b）是液滴中心氣膜高度，中心氣膜高度波動最為劇烈，在液滴撞擊前3 ms內，即液滴鋪展階段先伴隨不穩定波動升高再保持穩定，當液滴開始收縮時出現大范圍的波動；圖8（c）是液滴頸部氣膜厚度，頸部與中心點通常為液滴底部氣膜厚度最薄點，也是熱流密度峰值點；圖8（d）是液滴的頸部半徑長度，它的變化規律與液滴鋪展情況相似，且可以用來表示液滴與壁面的有效換熱面積。相較其他兩項特征參數而言，液滴中心氣膜厚度顯然對熱力學能具有更高的影響。

圖8壁面熱流密度隨時間和氣膜不同特征參數的變化情況

3.結論

本文采用數值模擬方法對液滴撞擊高溫球面引起的Leidenfrost現象進行了全面探究。首先對Leidenfrost現象產生的機理進行了詳細分析，主要從液滴、氣膜以及高溫壁面三方面展開分析，并進一步研究了液滴撞擊速度、液滴尺寸、壁面溫度對Leidenfrost現象的影響。

液滴撞擊球面時會出現兩個壓力及熱流密度較高的區域，分別是液滴中心和液滴頸部，這兩個位置因為壓力較高使氣膜厚度變薄，導致熱流密度升高。高壓力也會使該區域的氣流速度加快，但液滴與壁面間的蒸汽在排出時會形成泊肅葉流，對排氣速度產生一定的影響。對于氣膜來說，通常以中心高度、頸部半徑和頸部高度三項特征參數加以表征，對熱流密度影響較大的是中心氣膜高度。

提高液滴撞擊速度會使液滴具有更大的動能，更快達到更好的鋪展情況，同時也會使液滴底部排氣速度加快，氣膜厚度變薄；提高液滴尺寸會使鋪展時間與熱流密度都增大，有利于液滴吸收更多熱量，加強液滴的換熱能力，但會使中心氣膜厚度升高；提高壁溫對液滴的鋪展規律影響較小，會使熱流密度升高，氣膜變厚。