综述：关于液滴撞击液体表面动力学的综合性研究：动量、质量和热传递的实验与数值分析

《Energy Storage Materials》：A comprehensive review on droplet impact dynamics on liquid surfaces: Experimental and numerical investigations of momentum, mass, and heat transfer

本文系统综述了液滴冲击液面的流体力学机制，涵盖薄层、液膜、浅池和深池四种工况，分析了王冠层、溅射、射流形成及合并、气泡捕获等现象的物理机理，评估了实验、数值和理论模型的优缺点，指出多液滴冲击及相变研究存在显著空白，并展望了结合自适应网格、混合相场耦合及物理信息机器学习的前沿方向。

　　
液滴与液体表面相互作用的多维度研究综述

液滴撞击液体表面的现象在自然界的降雨过程、工业领域的燃料喷射、电子设备散热以及材料表面处理中均有重要体现。近年来，随着高精度测量技术和计算流体力学的发展，该领域的研究已形成完整的理论框架和实验体系。本文将从基础理论、实验方法、数值模拟和工程应用四个层面系统梳理现有研究成果。

在基础理论层面，液滴撞击行为可通过无量纲参数进行有效分类。根据液膜厚度与滴径比（h?）的数值范围，研究可分为四个典型工况：当h?>4时进入深池工况，此时液膜厚度远大于滴径，表面张力效应可忽略；1.5
实验研究方面，高速摄像技术（达百万帧/秒）和粒子图像测速（PIV）构成了主要观测手段。通过背光照明技术，研究者能够清晰捕捉冠层结构的形成过程，包括环形射流、二次飞溅等关键现象。实验参数体系包含液滴特性（密度、黏度、初始速度、直径）、液膜参数（厚度、表面张力、粘度）和边界条件（粗糙度、表面润湿性）。值得注意的是，新型LED光源和CMOS传感器技术的结合，使动态捕捉分辨率提升至微米级，为研究界面张力与惯性力的竞争关系提供了可靠依据。

数值模拟领域呈现出多方法协同发展的态势。传统欧拉法中的VOF方法通过体积分数场追踪液气界面，结合自适应网格加密技术可有效模拟冠层直径（Dc）和高度（Hc）的演化规律。CLSVOF方法通过耦合水平集函数与体积分数场，在保持VOF方法计算效率的同时，显著提升界面曲率计算的精度。对于高韦伯数（We>180）工况，SPH粒子法因其自然适应界面变形的能力，在模拟二次飞溅和气泡捕获方面表现优异。特别值得关注的是BIM边界积分法在处理复杂润湿界面时的独特优势，该方法通过分离相场计算与流动场求解，在微尺度热质传递耦合问题中展现出显著优势。

理论模型构建方面，能量守恒原理在深池工况中占据主导地位。Batchelor提出的势流理论通过解析速度势函数ψ，成功解释了环形气泡的捕获机制。对于薄层工况，Yarin和Weiss发展的Q1D模型通过建立液膜厚度与时间的关系，有效预测了冠层结构的几何参数。近年研究在此基础上引入表面曲率修正项，使模型预测精度提升约15%。在工程应用层面，微结构表面处理技术（如R410A制冷剂喷射系统）通过增大有效润湿面积，可使散热效率提升40%以上。

多液滴耦合作用研究是当前领域的薄弱环节。实验表明，当相邻液滴撞击间隔时间小于冠层形成时间常数（约0.2ms）时，会产生协同效应，形成复合冠层结构。数值模拟中，耦合VOF-SPH方法通过主界面VOF追踪与次级飞溅SPH建模相结合，在计算效率与精度间取得平衡。值得关注的是机器学习技术的引入，基于深度学习的冠层形态预测模型在We=300工况下，其预测误差已降至传统方法的1/3。

在相变机理研究方面，现有模型主要考虑液气两相界面张力与粘度的平衡。对于高温高压工况（如燃料喷射 chamber），新近提出的超临界CO2相变模型显示，相变焓释放可使冠层高度增加30%。然而，在深池工况中，传统气泡捕获模型无法解释高粘度流体中的多级气泡形成现象，这可能是由于界面膜结构在冲击波传播中的动态重构所致。

未来研究需重点关注三个方向：首先，开发适应宽参数范围的通用数值模型，特别需要解决网格自适应与界面重构的实时耦合问题；其次，建立多尺度理论框架，将微米级界面张力效应与毫米级流动特征进行统一表征；最后，探索润湿性调控与热质传递的协同优化机制，这对提升工业冷却系统效率具有重要工程价值。随着高算力计算机和量子计算技术的发展，基于非定常相场法的多物理场耦合模拟将逐步实现，这有望为液滴撞击现象提供更精准的理论预测模型。

当前研究仍存在若干关键挑战：1）复杂润湿界面（如纳米结构表面）的数值建模精度不足；2）多液滴撞击的统计学规律尚未建立；3）高速冲击下的界面膜结构演变机制不明。这些问题的突破需要跨学科协同创新，结合实验观测、理论推导与计算模拟的三维验证体系，推动该领域研究向更精准、更高效的工程应用方向发展。