液滴冲击编织网的流态转变与液体滞留机理

《Journal of Colloid and Interface Science》：Regime transition and liquid retention mechanism of droplets impacting woven mesh

　　

摘要 假设 在固定液体性质和润湿性的条件下，液滴冲击编织网的行为由冲击惯性与孔喉毛细阻力之间的竞争主导。液滴与开孔尺寸的匹配关系及局部冲击几何形状预计会重新分配相邻丝线和开孔间的液动静量，从而决定液滴的保留或渗透。 实验与模拟 水液滴冲击干燥的单层不锈钢编织网（SSW）。高速成像解析了冲击后的形貌特征，流体体积法（VOF）模拟经与录制序列验证后，量化了在不同韦伯数（We）、液滴直径与开孔比（λ）以及冲击位置变化下的铺展、液体保留及压力与速度场。 发现 识别出保留（R）、不完全渗透（IP）和完全渗透（CP）三种模式。We从10增至150时，促进孔喉突破和细液桥生长，保留率（ηr）从100%降至5.40%。在We=50、孔中心冲击条件下，ηr在λ=1.00时为0.49%，在λ=1.50时增至37.52%，在λ=1.75时保持36.71%，在λ=2.00时降至24.96%。中等λ增强了多丝毛细支撑作用，而较大λ则增加了对孔喉的液体供给并加剧排液。在We=50、λ=1.50时，冲击位置从孔中心移至丝中心和交点时，ηr分别从37.52%降至8.40%和4.40%，因为网骨架将液体重新导向额外的排液路径。因此，保留受冲击惯性、液滴-开孔匹配和局部冲击几何形状的耦合效应控制。 引言 丝网除沫器用于蒸发、吸收、洗涤、蒸馏、海水淡化及其他气液分离单元中，以去除气流中的夹带液滴。其性能以分离效率、压降、持液量、负荷点、液泛点和重新夹带倾向来衡量[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这些宏观指标取决于入射液滴与上游网层的相互作用方式。液滴经编织丝线拦截后，液体可能停留在网上、沿结构排液，或以细液桥和卫星液滴的形式通过开孔。冲击后形貌决定了保留量。保留的液膜增加了网的持液量。相反，细液桥拉伸、孔喉排液和卫星液滴则减少了保留量。因此，丝网除沫器的分离性能与液滴冲击网的局部结果相关联。在孔隙尺度上，这种相互作用涉及瞬态液-气界面变形、网开孔处的毛细阻力以及丝表面的动态润湿。 液滴冲击固体和多孔基底为解释液滴-网相互作用提供了物理基础。在不渗透表面上，铺展、回弹和破碎受惯性、毛细力、粘性、润湿性和表面几何形状的控制[7]、[11]。Hu等人发现，冲击波纹超疏水表面的液滴在轴向和跨向呈现非对称铺展和回缩，最大轴向铺展随波纹-液滴尺寸比呈非单调变化[46]。Lin等人发现液体粘度和表面润湿性影响了冲击结果、最大铺展系数和铺展时间[48]。多孔基底引入了额外的渗透通道，允许同时发生表面铺展和液体通过内部孔隙的传输[8]、[12]。润湿与粘附之间的耦合也与纤维过滤介质相关。Melayil和Mitra量化了三层聚丙烯口罩上的静态和动态润湿、液滴粘附和冲击行为，发现单根纤维引入了额外的接触线钉扎位点[50]。尽管材料和结构与SSW网不同，但其结果表明纤维介质对液滴的拦截评估应考虑孔隙尺度传输和纤维尺度液-固相互作用。 液滴冲击纤维、丝线和圆柱面的研究为理解液滴与编织网骨架的相互作用提供了丝尺度基础。Lorenceau等人研究了细纤维对液滴的捕获，而Kim等人识别出捕获、单滴下落和分裂三种模式并量化了纤维上残留的保留液体[13]、[14]。后续研究将此问题扩展到柔性纤维和圆柱面，表明冲击速度、液滴-纤维尺寸比、冲击偏心度和表面曲率影响包裹、颈缩断裂、分裂和液体保留[15]、[16]、[20]、[44]。Wang等人表明圆柱尺寸、润湿性和冲击速度控制了圆柱面上的轴向铺展、脱离模式和接触时间[47]。Tang等人考虑了不锈钢（SS）网中具有代表性的单丝和交叉丝单元，报告了冲击后不同的滴落和分解行为[43]。然而在编织网中，接触丝线与相邻丝线、开孔和交点相互作用，将局部液体分配和毛细支撑与周围孔隙网络的排液耦合在一起。 Lorenceau和Quéré建立了大于筛孔开孔的液滴的临界冲击速度：低于阈值时液滴被捕获，超过阈值时部分液体通过开孔射出[51]。该阈值提供了冲击惯性与抵抗液体通过的力之间竞争的开孔尺度描述。液滴冲击丝网的研究主要关注渗透起始及其后液体通过开孔的后续演化。Ryu等人将超疏水网的水渗透与冲击诱导压力与毛细阻力之间的平衡联系起来[21]。Xu等人将水锤压力和前进接触角纳入单层网筛的突破判据[22]。基于网孔宽w和前进接触角θA定义了修正韦伯数We_w/cosθA，并与投影液滴面积覆盖的孔数相关联。突破之后，Brunet等人表明在疏水微格栅上的冲击将液体破碎为细小液滴[9]。Kooij等人表明从相邻开孔喷出的液体形成射流和液桥，随后失稳并破碎为二次液滴[23]。Vontas等人量化了悬挂金属网上的保留和渗透液体分数，发现增加冲击速度促进渗透，而表面张力强烈影响网下方液体结构的破碎[24]。最近，Kotegar等人利用超疏水网进行液滴渗透来捕获颗粒，展示了网介导液滴射流的功能性应用[45]。Abouelsoud等人改变冲击亲油网硅油液滴的粘度，识别出沉积、部分浸渗、颈缩断裂和分离模式，并通过平衡惯性力、毛细力和粘性力估计模式阈值[30]。对于基底支撑的金属网，Boscariol等人观察到沉积、部分浸渗和渗透，并提出了包含We、Re、孔径和丝径的模式图[52]。 液滴冲击亲水圆柱和圆柱壁的研究阐明了偏心度、冲击惯性、尺寸效应、冲击位置和润湿性如何影响界面演化和保留稳定性[17]、[18]、[19]。这些研究为理解局部液滴-丝线相互作用提供了基础，但孤立的圆柱元件无法完全代表编织结构中相邻丝线、网开孔和交点的耦合效应。后续研究将液滴-网冲击扩展到预湿和倾斜网、复杂液体及改性网表面，表明液体性质、润湿条件和网特征可显著影响渗透和冲击后传输[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。丝网还用于过程强化应用中以增强液滴界面更新[39]、[40]、[41]、[42]。现有液滴冲击丝网的研究主要强调渗透、渗透后破碎和液体分散，而传统SSW网上液滴的拦截以及上侧保留与向下排液之间的转变受到的关注较少。因此，本工作结合高速可视化实验和VOF模拟，研究水液滴对单层SSW网的冲击。考察了We、液滴直径与开孔比λ和冲击位置的影响，以阐明保留、不完全渗透和完全渗透之间的转变，并识别与丝网除沫器中液体捕获相关的操作条件。 实验系统 可视化实验系统由滴定系统、成像系统和测量系统组成，如图1所示。去离子水液滴由注射泵（EA-74900-25，Cole Parmer）和注射器产生。未涂覆的网表面平面尺寸为150 mm×150 mm，孔径为2 mm，丝径为0.5 mm，水平放置于三维物体台上。网表面位置可控制。液滴下落高度H， 控制方程 液滴冲击采用流体体积法（VOF）进行模拟。选择VOF方法是因为其固有的质量守恒特性适用于分辨与细液桥断裂和二次液滴形成相关的大界面变形和拓扑变化。Ezzatneshan和Sadraei采用多相Allen-Cahn格子玻尔兹曼方法研究液滴冲击振动网，表明孔径、润湿性和振动相位会改变铺展和 结果与讨论 如图3(a)所示，所有情况下液滴冲击的初始阶段均由网表面的横向铺展主导（见补充材料中的Movie S1–S3）。尽管早期铺展阶段表现出相当的形貌特征，但在中间和最终阶段出现了显著的拓扑变化，这些变化决定了最终的冲击模式。为进一步研究空间压力分布、速度场和界面液体 结论 基于此前关于液滴渗透和突破网结构的研究[21]、[22]、[24]，结果表明传统SSW网上的液体保留和渗透受冲击惯性、液滴-开孔尺寸匹配和局部冲击几何形状的控制。观察到三种冲击后模式：保留、不完全渗透和完全渗透。增加We促进孔喉突破、细液桥拉伸和卫星液滴形成，从而 CRediT作者贡献声明 Wen Chen：撰写—审阅与编辑，撰写—原始草稿，验证，软件，方法学，调查研究。Liansheng Liu：撰写—审阅与编辑，撰写—原始草稿，监督，资源，项目管理，概念化。Dexuan Fang：验证，软件，方法学，调查研究。Rui Niu：可视化，方法学，调查研究。Yadong Chen：方法学，调查研究，资金获取。Runze Duan：监督，项目管理，形式分析。 利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。 致谢 本工作得到河北省高校科学研究项目-青年基金科技项目（编号QN2026136）和河北省地热能源利用技术重点实验室的支持，特此致谢。 Wen Chen | Liansheng Liu | Dexuan Fang | Rui Niu | Yadong Chen | Runze Duan | Xuanchen Liu