基于数值模拟的空心液滴撞击高温壁面的热-流响应分析

1 引言

液滴撞击高温壁面是传热强化、喷雾冷却、涂层制造、燃烧系统等领域中的关键物理过程之一，其涉及复杂的流体动力学响应与相变换热机制，引发诸如铺展、回缩、蒸发、破碎、射流与反弹等一系列非线性现象 [1–3]。液滴撞击行为在不同物理边界和内部结构条件下得到了广泛关注。其中，空心液滴因其内部含气结构，在撞击过程中表现出不同于常规实心液滴的动力学响应，成为研究热点之一 [4–6]。多项实验与模拟研究表明，较高的撞击速度会加剧液滴内部的流动扰动与局部压力峰值，进而引发中心射流、蒸汽膜形成或反弹等现象 [7–9]。

2 物理模型与控制方程

2.1 控制方程（1）能量守恒方程

其中，T 为温度，λ为传热系数，cP 为比热容，Sh 为能量源项。

在上式中， μ 是速度； m/s2_ℓ

（2）动量守恒方程

ρ表示密度，单位为 kg/m³ ；t 表示时间，单位为秒（s）；T 表示温度，单位为开尔文（K）； μ 表示动力粘度，单位为N ⋅s⋅m^-2 ；p 表示压力，单位为帕斯卡（Pa）；g 表示重力加速度，单位为 m/s² ；Fbf 表示表面张力源项。

3 不同速度条件下空心液滴撞击壁面的模拟分析

3.1 液滴速度对壁面换热系数的影响

图1 不同速度液滴撞击壁面换热系数图

图 1 展示了五种液滴初始速度下换热系数随时间的变化图。初始速度的变化对换热系数的影响呈现显著的正相关性：随着撞击速度从1.21m/s 提升至 2.70m/s ，换热系数峰值从 529 W/（m²·K）增至 1956W/ （m²⋅K） 由图分析可得高速撞击显著增强了气泡空化效应和液滴飞溅，从而扩大了有效换热面积；更大的动能输入缩短了液滴达到最大铺展直径的时间，使换热过程更集中于高温阶段。

3.2 速度场分析

图2 不同液滴速度情况下液滴撞击壁面速度场图

图2 展示了五种液滴初始速度下液滴撞击高温壁面不同时刻的速度场图。在图2（a）中，速度为1.21 m/s 的液滴中心区域轻微隆起但未形成射流结构。至1.2 ms 时接近最大铺展状态，未发生破碎回弹。当速度为 1.71m/s 时，液滴迅速铺展，接触面速度快速降低，而边缘和中心区域仍维持较高速度，速度场呈现环状分布。随后液滴逐渐趋于稳定。速度增至 2.09m/s 时，液滴表现出更强烈的铺展趋势，速度场呈环状扩张。在回缩阶段，速度场逐渐减弱。图2（d）和（e）分别对应撞击速度为 2.42m/s 和 2.70m/s 的情况。液滴铺展更为剧烈，边缘区域容易发生局部破裂，并产生次生小液滴。

结论：撞击速度越大，液滴越早接触壁面，铺展范围也越广。低速下接触延迟，速度集中在底部，铺展较慢；中高速（如 2.09m/s ）时，液滴更早开始扩展，径向速度扩散更强，表明动能更高效地转化为铺展运动。中空液滴在撞击过程中表现出“中心塌陷-外扩”特征，初始速度集中在边缘，中心隆起，导致不对称的铺展前沿。中空结构降低了中心压强集中度，削弱整体稳定性，易在边缘产生扰动。速度越大，动量与热量耦合越强，促进中心射流、蒸发增强与换热强化。

参考文献

[1]Bai X.， et al. Int. J. Heat Mass Transfer， 2022， 183： 122169.

[2]Wang C.， et al. Langmuir， 2016， 32（40）： 10247–10255.

[3]Xu Z.， et al. Energies， 2024， 17（17）： 4510.

[4]Tu S.， et al. Theoretical and Computational Fluid Dynamics， 2021， 35（4）： 429–443.

[5]Li J.， et al. Microgravity Science and Technology， 2022， 34（2）： 33.

[6]Liu H.， et al. Microgravity Science and Technology， 2022， 34（4）： 87.

[7]ao J.， et al. arXiv preprint， 2024： arXiv：2407.05130.

[8]g C.， et al. arXiv preprint， 2017： arXiv：1712.09411.

[9]el R.， et al. Exp. Fluids， 2022， 63（2）： 1–12.基金项目：2025 年度芜湖职业技术学院校级科学研究项目“人工智能赋能高职院校劳动教育的价值与路径研究”（wzyrw202543）

作者简介：寇云斐（2001-），男，硕士生，主要研究方向为液滴碰壁行为。通信作者：吴入军（1979-），男，副教授，博士，主要研究方向为液滴碰壁行为等。