1.2数据处理

实验数据处理方法如图2所示。首先，使用圆形薄片进行标定，以确定高速摄像机镜头的放大比例，圆形薄片的水平直径和垂直直径分别为Lh和Lv，如图2(a)所示。其次，根据乙醇液滴即将接触过冷水平壁面的最后3帧计算冲击速度，如图2(b)所示，冲击速度的计算公式为

式中:X3f为乙醇液滴最后3帧移动的距离;t2f为移动时间。(a)圆形薄片两方向长度测量(b)液滴冲击速度测量(c)液滴初始直径测量(d)最大铺展因子测量图2实验数据处理方法

最后，使用PFV软件针对液滴的初始直径及铺展过程中的参数进行测量，如图2(c)、2(d)所示，分别从水平与垂直两个角度进行测量，并根据圆形薄片的水平和垂直角度放大比例，计算得到各物理量的真实值，计算公式为

式中:Xv为垂直测量值;Xh为水平测量值。

根据实验数据测量值，乙醇液滴冲击过冷水平壁面的雷诺数Re=ρU0D0/μ为2795，韦伯数We=ρU20D0/σ为354，奥内佐格数Oh=We/Re为0.0067。雷诺数代表惯性力与黏性力的比值，韦伯数代表惯性力和表面张力的比值，奥内佐格数代表黏性力与表面张力的比值。

2、结果讨论

2.1乙醇液滴冲击过冷水平壁面的现象

乙醇液滴冲击过冷水平壁面表现出两种不同模式。定义水平壁面过冷度为ΔT=273.15-Ts，其中Ts为水平壁面温度，实验涉及的过冷度有7个，分别为0、6、12、18、24、30和36K。如图3所示，乙醇液滴以2.43m/s的初速度冲击过冷度ΔT=6.0K的水平壁面时，在冲击后立即铺展，同时在液滴边缘发生飞溅。子液滴向周围各个方向散落，经历一段时间的铺展后逐渐趋于稳定，这一模式被称为模式Ⅰ飞溅-铺展。当水平壁面过冷度逐渐增大，如图4所示，ΔT=30.0K时，乙醇液滴冲击过冷水平壁面后同样发生铺展，同时子液滴飞溅，但随着铺展程度增大，液滴边缘在最大铺展时间时出现“手指状突起”，这一模式Ⅱ被称为飞溅-突起。

乙醇液滴冲击过冷水平壁面会在两个阶段出现飞溅或手指状突起，但两者形成的机理有所不同:前者是由于乙醇液滴的表面张力较小，液滴在冲击水平壁面的一瞬间，惯性力大于表面张力，液滴边缘无法保持原状，因而造成了飞溅;后者是由于液滴冲击过冷水平壁面，经过一段时间换热，液滴底部及边缘的温度降低，使得流体的密度增大，加剧了液滴与空气的密度差，在边缘前进速度的作用下，触发了液体-气体界面的瑞利-泰勒不稳定性，形成了手指状突起。总而言之，水平壁面过冷度较低时，乙醇液滴冲击形成模式Ⅰ飞溅-铺展;水平壁面过冷度较高时，冲击现象向模式Ⅱ飞溅-突起转变。

2.2水平壁面过冷度对铺展动力学行为的影响

为了探究水平壁面过冷度对液滴冲击的影响机制，定义无量纲铺展因子β=D(t)/D0，其中D(t)为液滴每一时刻的直径，Dmax为液滴能达到的最大铺展直径，对应的最大铺展因子为βmax=Dmax/D0。图5展示了不同水平壁面过冷度下，乙醇液滴冲击水平壁面的铺展因子β随时间的变化曲线。可以看出，乙醇液滴冲击不同过冷度水平壁面均在1.0ms内发生破碎-飞溅，在这段时间内，铺展速率近似为线性，在飞溅后，β突然减小，随后铺展因子继续增，铺展速率逐渐减小，最终趋于0，液滴形态不再发生变化。

根据液滴铺展随时间的变化，提取了不同过冷度下的βmax和tmax并绘制了图6。如图所示:随着水平壁面过冷度的增大，βmax呈现了先减小后增大的非单调变化趋势，并在水平壁面过冷度为18.0~30.0K时达到最小值;不同于βmax的变化趋势，tmax呈现逐渐减小的趋势，这是由于随着水平壁面过冷度的增加，换热加剧，液滴的温度降低，这使得密度、黏度、表面张力增加，抑制了最大铺展时间。根据Shang等提出的换热模型，将乙醇液滴看作一个整体，并将液滴冲击过冷水平壁面的过程看作圆柱形不断“变矮”和“变宽”的过程，可以得到乙醇液滴冲击过冷水平壁面的温度降低范围为1.8~3.7K。