3.结果分析与讨论

3.1液滴尺寸、速度和黏度对尘−雾附着特性的影响

基于前人的实验结果以及笔者的数值模拟结果，笔者将液滴与固体颗粒的碰撞行为分为4种类型：反弹(A)、完整并聚(B)、包裹后撕裂(C)、膜状飞溅(D)，如图8所示。为定量描述碰撞后液体在颗粒表面的附着量，笔者将碰撞后颗粒表面最终附着液体体积与碰撞前液滴体积之比定义为液体附着比例(ψV)。在雷诺数(Re)与韦伯数(We)很小时，液滴发生碰撞后会发生完全反弹现象。在此条件下颗粒上无液体附着，即液体附着比例ψV=0；当Re与We增大到一定程度，液滴碰撞颗粒后会与颗粒完整并聚，此时液体不脱离颗粒，即ψV=1；随着Re与We继续增大，液滴包裹颗粒后会发生撕裂现象，部分液体脱离颗粒，即0<ψV<1。随着Re与We继续增大，附着比例ψV会逐渐减小；当Re与We很大时，液滴在与颗粒碰撞的瞬间便会以液膜形态飞溅，碰撞后仅有极少液体附着在颗粒表面，ψV趋近于0。

图8固−液颗粒在不同速度情况下碰撞的不同行为

为进一步研究碰撞参数与颗粒表面液体附着量之间的定量关系，按照表5第1行中设置的碰撞条件，在不同的雾滴尺寸、碰撞速度和黏度条件下开展了数值模拟计算。依据模拟结果中对颗粒表面的液体附着量进行统计，其中图9a展示了液滴黏度为1.04 mPa·s时颗粒粒径dp和碰撞速度v0对液体附着比例ψV的影响。当dp分别为0.2、1和5μm时，数据曲线具有相似的变化趋势。数据曲线的转折点反应了不同碰撞行为类型之间的临界点。由于颗粒粒径不超过5μm时，奥内佐格数Oh的取值小，黏性力对动能的耗散作用强。因此，即使液滴以极低的速度v0碰撞疏水颗粒，也未观察到反弹现象。对于颗粒粒径dp分别为0.2、1和5μm的碰撞条件，当v0分别低于104.4、35和20.5 m/s时，碰撞现象为完整聚并，如图8中B组所示，对应ψV=1；当v0的范围分别为104.4～138.1、35～57.5和20.5～23.5 m/s时，碰撞现象为包裹后撕裂，如图8中C组所示，碰撞后的液体附着比例ψV随着v0的增加而快速降低；当v0的范围分别为>138.1、>57.5和>23.5 m/s时，碰撞现象为膜状飞溅，如图8中D组所示，其特征在于ψV随着v0的增加而缓慢降低。

图9不同条件下数值模拟出的液滴附着比例

对于颗粒粒径dp分别为25μm和125μm的碰撞条件，当v0分别低于4.7 m/s和2.1 m/s时，将发生完全反弹现象，如图8中A组所示，对应ψV=0；当v0的范围分别为7.4～9.3 m/s和2.1～3 m/s时，碰撞现象为完全并聚，如图8中B组所示，对应ψV=1；当v0的范围分别为4.7～7.4 m/s和3～4.2 m/s时，碰撞后的液体附着比例ψV随着v0的增加而快速降低；当v0的范围分别为>7.4 m/s和>4.2 m/s时，碰撞现象为膜状飞溅，见图8中D组所示，表面产留液体比例极低ψV，如图9a所示。

值得注意的是当dp≥25μm时，在低速碰撞条件下有“反弹(A)”现象发生，且在高速碰撞条件下发生“膜状飞溅(D)”时ψV≈0；而当dp≤5μm时，在低速碰撞条件下无“反弹(A)”现象发生，且在高速碰撞条件下发生“膜状飞溅(D)”时ψV显著大于0。总体上看，尘、雾粒径越小，碰撞后液体越倾向于附着在颗粒表面。其原因在于尘、雾颗粒直径越小，We和Re值越小，黏性力和表面张力对碰撞行为的影响越大。强黏性力会导致液滴在形变过程中损失大量的机械能，而高表面张力会阻碍液滴在颗粒上铺展。由于同样的原因，减小模型液滴的直径，会导致“完整聚并(B)”和“包裹后撕裂(C)”两种现象之间的临界速度升高。并且可观察到，随着尘、雾颗粒直径下降，“膜状飞溅(D)”时颗粒表面液体附着比例ψV也显著上升。

笔者还进一步探究不同液滴黏度对附着量的影响，按表5第2行所设置的条件开展了数值模拟计算。图9b展示了在液滴黏度μ=5.2 mPa·s和μ=1.04 mPa·s 2种情况下的v0–ψV曲线(工况条件设置见表4)。当μ增大，“完整并聚(B)”与“包裹后撕裂(C)”2种碰撞行为之间的临界速度随之增大。此外，“包裹后撕裂(C)”和“膜状飞溅(D)”2种状态中的液滴附着比例分数ψV也随μ的增大而上升。这是因为在其他条件相同的情况下，μ越高对应于Re值越高，这导致尘−雾碰撞过程中液体黏性力摩擦引起的机械能损失显著增大。因此，随着μ的增加，附着在颗粒上的液体比例ψV增大。

由于上述曲线具有类似的变化趋势，笔者基于黏性力和惯性力对碰撞行为的影响，图9b中的横纵标由碰撞速度转换为雷诺数Re，得到图9c。可观察到在“膜状飞溅(D)”行为发生区域，以μ=5.2 mPa·s条件下得到的曲线与μ=1.04 mPa·s的曲线重合性较好。对“膜状飞溅(D)”行为区域的数据进行拟合得到方程：

当μ=5.2 mPa·s时，虽然在低速碰撞条件下仍能观察到反弹现象，但相较于μ=1.04 mPa·s时，反弹行为得到了明显的抑制。在高速碰撞条件下，高黏度液滴在颗粒表面的附着量也明显大于低黏度液滴。这是因为，随着黏性力的增加，碰撞过程中机械能损失增大。对于μ=5.2 mPa·s的液滴，即使颗粒具有高疏水性(α=168.4°，β=91.4°)，“膜状飞溅(D)”行为发生时也有部分液体最终附着在尘粒上。