液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的形狀變化對(duì)液滴的蒸發(fā)、燃燒等過(guò)程有重要影響，表面張力是影響其形狀變化的因素之一。為研究表面張力對(duì)液滴形變的影響規(guī)律，采用低濃度的表面活性劑（十二烷基苯磺酸鈉SDBS）配制表面張力為30～72 mN·m?1的水溶液。利用不同外徑的針管得到3～5 mm粒徑的液滴。高速攝像機(jī)（Phantom V211，1000 pps，800×600 pixel）對(duì)這些液滴在自由落體過(guò)程中的形變規(guī)律進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，得到了關(guān)于E?tv?s數(shù)（Eo）的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液滴在自由落體過(guò)程中會(huì)形成周期性振動(dòng)形變，振動(dòng)周期和振幅隨表面張力增大而減小。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，初始時(shí)液滴形成并斷裂所引起的瞬態(tài)沖量使液滴內(nèi)部動(dòng)量傳遞進(jìn)而表現(xiàn)出周期性振動(dòng)形變。

液滴在氣體中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)因表面受力不均而發(fā)生形變。影響液滴形變的因素很多，如粒徑、速度、表面張力等。在自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域，許多物理過(guò)程涉及液滴在氣流中的形變，如蒸發(fā)冷卻、蒸氣冷凝、噴霧燃燒、顏料濃縮液的分散、飛沫傳播過(guò)程等。采取措施如降低液滴表面張力、加快液滴的形態(tài)變化是改善噴霧燃燒和蒸發(fā)冷卻效果的常用技術(shù)手段，需要了解相應(yīng)過(guò)程中液滴的形變規(guī)律。大多數(shù)對(duì)氣液兩相流的數(shù)值模擬分析中常假設(shè)液滴為球形，但在實(shí)際情況中，液滴的形變對(duì)受力、蒸發(fā)的影響不容忽略。因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究液滴形變的一般規(guī)律對(duì)修正數(shù)學(xué)模型以及優(yōu)化工程實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

液滴下落形態(tài)

液滴垂直滴入靜止空氣流場(chǎng)下落過(guò)程中，受到的質(zhì)量力為重力(空氣與液滴的密度相差很大忽略浮力影響)，表面力為曳力和表面張力。特征長(zhǎng)度取等體積當(dāng)量直徑de），則液滴的形變特征可由量綱1數(shù)(重力與表面張力之比)、We=ρcurelde/σ(曳力與表面張力之比)，（慣性力與黏性力之比）、表示。

根據(jù)上述量綱1數(shù)得到了不同范圍內(nèi)液滴或氣泡的形變特征區(qū)間，可由此大致判斷形狀變化。液滴下落過(guò)程中，周圍流體繞過(guò)液滴，初始會(huì)在液滴后部形成穩(wěn)定的線性或者帶有渦旋的尾跡。隨著Re的不斷增大，液滴后部形成非穩(wěn)態(tài)的尾跡剝離使液滴自身發(fā)生非穩(wěn)定性形變即振動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于高黏度比κ，如液滴在氣體中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)Re≈200時(shí)振動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生，對(duì)于低κ如氣泡在液體中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)的臨界Re≈1000。

對(duì)于穩(wěn)態(tài)形變Savic提出了高Re下界面正壓平衡公式，Pruppacher等在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正并確定了不同粒徑范圍液滴的形變情況。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)形變，一般常用周期和振幅來(lái)描述，Lamb建立了忽略黏性力的液滴自然振動(dòng)周期的基本模型并得到了Yao等的驗(yàn)證。對(duì)于振動(dòng)周期與尾跡剝離周期的關(guān)系，Winnikow等和Edge等分別得到了不同的結(jié)論。隨著高速攝像技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)研究成為揭示非穩(wěn)態(tài)液滴形變振動(dòng)周期和振幅變化規(guī)律的重要途徑之一。Kenneth等研究了2.5～4 mm粒徑范圍的雨滴從25 m自由下落的振幅變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)液滴在達(dá)到終速度前振幅不斷減弱，達(dá)到終速度后不斷增強(qiáng)，最后形變振動(dòng)與渦旋尾跡剝離達(dá)到共振而逐漸趨于穩(wěn)定。Dubrovskii等研究了純液滴和兩相液滴的形變規(guī)律，并得到了Laplace數(shù)（Lp）與振動(dòng)周期之間的關(guān)系。Volkov等在Dubrovskii等的基礎(chǔ)上分別研究了粒徑、瞬時(shí)速度、液滴與流場(chǎng)溫差對(duì)振動(dòng)周期及振幅的影響。表面張力直接影響液滴的形狀，但單純控制表面張力比較困難，前人研究中多通過(guò)改變工質(zhì)來(lái)間接得到表面張力與非穩(wěn)態(tài)形變規(guī)律的關(guān)系。