确保严重事故后熔化核碎片的安全包容至关重要，这在很大程度上依赖于下部的冷却效果。此外，高功率反应堆面临更大的整体热负荷，热量聚焦效应构成了更大的威胁。研究表明，喷雾冷却能够提供更高的热流密度，从而显著提高临界热流（CHF）能力（Cheng等人，2016年）。利用这一优势，学者们提出将这种技术应用于大型压水反应堆的下部冷却，以克服现有技术的局限性（Bandaru等人，2021年；Fang等人，2022年、2024a年、2024b年、2025年）。
在喷雾冷却过程中，液滴连续撞击下表面会形成液膜。然而，这种撞击可能会引起液膜波动、喷射甚至破裂。因此，深入理解液滴-液膜撞击的流体动力学至关重要。这些知识不仅为分析液膜内的热传导和蒸发提供了可靠的基础，也为设计更高效的喷雾系统提供了关键参考，最终确保了有效的热量去除并保证了反应堆的安全。
液滴撞击液膜的现象在自然界和众多工业应用中都是基本且普遍存在的（Chen等人，2022年；Feng等人，2024年；Fu等人，2024年；LeClear等人，2016年；Liang和Mudawar，2016年；Lu等人，2022年；Shen和Li，2023年；Wang等人，2023年；Xia等人，2023年；Zhao等人，2024年）。诸如喷射（在喷雾冷却中可能有害）或沉积（这是期望的结果）等关键现象，是由流体性质和撞击条件共同作用的结果。因此，深入理解并能够预测这些动力学过程具有重要的科学和实际意义。
单个液滴撞击液膜的经典案例已经是一个多世纪以来广泛研究的主题。早期研究集中在实验上识别不同的撞击结果，如沉积、反弹和喷射，并基于Weber（We）数和Reynolds（Re）数构建了相关图谱（G. E. Cossali等人，2004a年；Gielen等人，2017年；Kuhlman等人，2014年；Manzello和Yang，2002年；Okawa等人，2006年；R. Davidson，2002年；Rein，1996年、1993年；Roisman和Trophea，2002年；?ikalo等人，2005年；Zhbankova和Kolpakov，1990年）。后续研究深入探讨了喷射的物理阈值，并提出了各种理论模型，例如基于喷射基部喷射的薄片动力学或空气动力学效应的作用（Guo和Lian，2017年；Mackay和Mason，1963年；Ray等人，2012年；van Hinsberg等人，2010年）。
液滴撞击过程的数值模拟可以大致分为三个尺度：宏观尺度、介观尺度和微观尺度。在宏观尺度上，20世纪60年代末的开创性工作应用了MAC（Marker和Cell）方法来研究液滴与固体表面和液池的相互作用，这标志着计算方法在该领域的应用开始（Harlow和Shannon，1967年）。此后，开发了多种界面捕捉方法。VOF（体积流体）方法被广泛用于二维和三维模拟（Coppola等人，2011年；Nikolopoulos等人，2005年；Rieber和Frohn，1999年），但在曲率计算方面存在不准确性，而LS（水平集）方法在改善曲率评估的同时牺牲了质量守恒（Lee等人，2011年；Shao等人，2015年）。为了克服这些限制，后来提出了CLSVOF（耦合水平集和体积流体）方法，结合了两种方法的优点，并被广泛用于液滴-液膜撞击研究（Chen等人，2025年；Ding等人，2024年；Guo等人，2014年；Sussman和Puckett，2000年）。同时，基于粒子的方法如SPH（平滑粒子流体动力学）（Cleary和Serizawa，2019年；Xu，2017年）和MPS（移动粒子半隐式）（Li等人，2020年）因其在处理大变形时的鲁棒性而受到欢迎，而不依赖于传统的基于网格的界面跟踪。在介观尺度上，LBM（格子玻尔兹曼方法）（Aidun和Clausen，2010年；Chen和Doolen，1998年；Huang等人，2015年；Succi，2001年）作为一种强大的工具出现，能够捕捉复杂的界面动力学并提供高分辨率的流动细节。然而，在高雷诺数条件或大的液-气密度比下，其数值稳定性可能会受到挑战。在微观尺度上，MD（分子动力学）模拟通过适当的势函数显式模拟原子相互作用，从而提供了对液滴撞击现象的分子级洞察（Wu等人，2024年）。这些方法共同构成了一个多尺度框架，使研究人员能够从连续介质尺度的流场到原子级机制研究液滴撞击动力学。
在大多数实际应用中，液滴很少单独撞击。因此，近年来，研究兴趣逐渐转向了更复杂的多液滴撞击课题，这为研究流场之间的相互作用开辟了新的维度（Guo和Lian，2018年；Huang等人，2024年；Liang等人，2018年、2019年；Liu等人，2024年；Qin等人，2018年；Raman等人，2015年；Richter等人，2005年；Wen等人，2017年、2020年；Xu等人，2013年；Yuan和Schaefer，2006年）。因此，研究这一现象具有更大的实际意义。在多液滴撞击液膜的过程中，液滴之间的相互作用会显著改变撞击形态，导致比单液滴撞击更复杂的特征。早期实验研究表明，同时多液滴撞击可以降低喷射阈值（G. Cossali等人，2004b年），并揭示了液滴间距和初始撞击速度是控制液膜变形高度的关键因素（Xu等人，2013年）。后续的数值模拟进一步表明，当相邻液滴形成的喷射结构相互作用时，会出现强烈的耦合效应：在低撞击速度下，液滴倾向于沉积并形成相对较厚的坑洞；而在高速度下，则会发生喷射破裂和复杂的喷射（Guo和Lian，2018年）。其他研究表明，撞击频率显著影响次级液滴的大小和轨迹，连续撞击会促进液滴沿壁面运动（Richter等人，2005年）。此外，液滴撞击移动的液膜会产生不对称的喷射结构，突显了三维模拟的必要性（Raman等人，2015年）。先进的三维数值研究阐明了同时和非同时多液滴撞击下液膜的内部流动和界面演变，以及它们对传热特性的影响（Liang等人，2018年、2019年）。总体而言，多液滴撞击的动力学和界面演变不仅控制着沉积和喷射行为，还在热和质量传递过程中起着关键作用。
尽管在液滴撞击领域取得了显著进展，但现有研究主要集中在单液滴-液膜或液滴-液滴碰撞等经典案例上。对于两个液滴同时撞击液膜的更现实场景的系统理解仍然不足。特别是，撞击角度、惯性强度（由Weber数表征）和液膜厚度对界面形态演变和由此产生的流动结构的耦合效应尚未得到充分研究。目前尚不清楚液滴间的相互作用如何在不同角度下调节界面动力学，以及惯性和表面张力之间的竞争如何决定沉积、喷射或分离的最终结果。这一知识空白限制了对多液滴撞击现象的全面理解，并阻碍了相关应用中撞击结果的有效控制。
为了解决上述研究空白，本研究基于Shan-Chen伪势开发了一个三维多相格子玻尔兹曼模型，其可靠性通过经典实验结果进行了验证。在此验证框架的基础上，我们专注于两个液滴同时对称撞击的特定场景。尽管这种配置与随机工业喷雾相比是一个理想化的表示，但它作为一个基本问题。研究这一情况使我们能够分离和量化相邻撞击区域之间的建设性和破坏性干扰的具体机制，这是理解复杂多液滴系统的前提。我们系统研究了撞击角度和Weber数对两个液滴对称撞击液膜时界面演变、流动结构和破裂模式的影响。结果揭示了不同参数范围内惯性和表面张力的控制机制，使我们能够构建一个动态框架，涵盖喷射、喷射中断、中心片层扩散和中心喷射破裂等特征模式。此外，本文还研究了液膜厚度对喷射演变的影响。
这项工作不仅加深了对多液滴撞击液膜机制的理解，还为工程应用提供了理论基础，例如反应堆下部表面的喷雾冷却。具体来说，建立液膜破裂、喷射和喷射形成的流体动力学基线是未来研究的关键前提，因为准确预测液膜形态对于反应堆安全分析中的可靠传热建模至关重要。
