韦伯数 模拟器 返回
微粒化·喷雾模拟器

韦伯数 模拟器 — 液滴的惯性 vs 表面张力

从密度 ρ·速度 V·特征长度 L·表面张力 γ 实时计算韦伯数 We = ρV²L/γ,判定液滴的保持(We<1)·振动变形(1≤We<12)·分裂(We≥12)的区域。同时显示临界分裂速度 Vc 和重力支配判定的 Bond 数 Bo,可直观学习喷雾、柴油燃料微粒化、雨滴破碎等现象。

参数设置
流体密度 ρ
kg/m³
速度 V
m/s
特征长度 L
mm
表面张力 γ
mN/m

默认值为水(20℃、ρ=1000 kg/m³、γ=73 mN/m)和 L=2 mm 的雨滴大小、V=10 m/s 的气流。重力加速度 g = 9.81 m/s²。临界 We_c=12 基于 Pilch & Erdman 的 bag breakup 阈值。

计算结果
韦伯数 We
区域
分裂临界速度 Vc
Bond 数 Bo
液滴示意图(区域别行为)

蓝=表面张力支配(球形保持)/橙=振动·变形(椭圆振动)/红=分裂域(bag/shear breakup)。流动箭头长度与 V 成正比,液滴大小与 L 成正比。

速度 V 对韦伯数 We 的关系(对数)

横轴=V [m/s](0.1~100、线性)/纵轴=We(对数)/蓝曲线=We(V) = ρV²L/γ/灰虚线=We=1(球形界限)/红虚线=We=12(分裂阈值)/黄点=当前 (V, We)。

理论·主要公式

液滴的惯性和表面张力的比用韦伯数描述。

韦伯数(无量纲):

$$\mathrm{We} = \frac{\rho\,V^{2}\,L}{\gamma}$$

分裂的临界速度(We = We_c 时的 V,We_c ≈ 12):

$$V_{c} = \sqrt{\frac{12\,\gamma}{\rho\,L}}$$

Bond 数(重力和表面张力的比):

$$\mathrm{Bo} = \frac{\rho\,g\,L^{2}}{\gamma}$$

$\rho$ 是流体密度 [kg/m³],$V$ 是相对速度 [m/s],$L$ 是液滴的特征长度 [m],$\gamma$ 是表面张力 [N/m],$g = 9.81$ m/s²。We < 1 时为表面张力支配(球形保持),1 ≤ We < 12 时为振动·变形,We ≥ 12 时为 bag/shear breakup 分裂域。

韦伯数 模拟器简介

🙋
默认值的 We=2740 是个非常大的数字,这是什么意思?把水滴以秒速 10 m 抛出后真的会粉碎吗?
🎓
问得好。韦伯数 We = ρV²L/γ 是破坏液滴的"动压 ρV²"和恢复球形的"表面张力压 γ/L"的比。在默认条件下(水、L=2 mm、V=10 m/s)得到 We=2740,是临界值 12 的 200 倍以上。雨滴撞击汽车挡风玻璃时,液滴无法保持球形,会膨胀成袋状后破裂,这就是所谓的"袋状破裂"。但在这个速度下,液滴甚至不会展现出袋状形态,而是直接进入剪切破裂模式。在本工具中,把 V 降低到 0.7 m/s,We 会正好等于 12,你会看到区域显示从"分裂域"切换到"振动·变形"。
🙋
分裂临界速度 Vc=0.662 m/s 是说超过这个速度就会破裂吗?这个速度比想象中慢啊。
🎓
完全正确。Vc = √(12γ/(ρL)) 就是使 We=12 的速度,对于 L=2 mm 的水滴是 0.66 m/s — 比人走路的速度还慢。所以自然下落的雨滴(直径 5 mm 以上)最终速度约为 9 m/s,早就远超过 We≫12,在地表附近接近扁平或崩溃的形态。反过来,如果把 L 改成 0.2 mm 的细雾,Vc 就会变成 √10 倍的 2.1 m/s,小液滴更难破裂。喷雾喷嘴的设计者会根据目标喷射速度和所需的液滴直径来选择喷嘴孔径。
🙋
右下角的图表显示 We 以 V 的平方增长。这意味着速度是最重要的参数吗?
🎓
完全对。We ∝ V²,所以 V 翻倍,We 就翻 4 倍;V 增加 10 倍,We 增加 100 倍。密度 ρ 和长度 L 只影响一倍,表面张力 γ 在分母中是反比例。所以"要让液滴变细"最有效的办法是提高喷射速度。这就是为什么柴油发动机的高压共轨系统要达到 200 MPa — 以极高速度喷射燃料才能得到最细的雾化。反之,"要保持液滴"就要提高 γ(避免界面活性剂)或减小 L。在本工具中,把 γ 从 73 改到 500 mN/m,We 会降低到 1/7,区域可能从"分裂"跳到"振动"。
🙋
最后的 Bo=0.538 是 Bond 数吧。它和 Weber 数有什么区别?分母都是表面张力,用一个指标不就可以了?
🎓
分母相同但分子不同。Bo=ρgL²/γ 是"重力 vs 表面张力",We=ρV²L/γ 是"惯性 vs 表面张力"。简单说,Bond 数决定"静止液滴的形状"(重力小时球形,大时扁平),Weber 数决定"流动中液滴是否破裂"。L=2 mm 的水滴,Bo=0.54 说明重力被表面张力压制,液滴保持球形;但把同一液滴放在 V=10 m/s 的气流中,We=2740,立刻粉碎。在微重力下(国际空间站),g≈0 导致 Bo→0,巨大水球能漂浮,但加速飞船后 We 飙升就会破裂。这就是为什么要分别考虑两个指标。

物理模型和主要公式

韦伯数是液滴所受惯性力和表面张力比的无量纲量。

$$\mathrm{We} = \frac{\rho\,V^{2}\,L}{\gamma}$$

$\rho$ 是周围流体(或液滴)的密度 [kg/m³],$V$ 是液滴与周围流体的相对速度 [m/s],$L$ 是液滴的特征长度(直径或半径)[m],$\gamma$ 是表面张力 [N/m]。分子 $\rho V^2$ 是动压,变形液滴;分母 $\gamma/L$ 是与曲率成正比的 Laplace 压,恢复球形。

经典实验确立的阈值 We_c ≈ 12 标志液滴开始进入袋状破裂(bag breakup)模式。继续增加速度会经历袋柄型(We ≈ 50)、剪切剥离(We ≈ 100)、灾难性破裂(We > 350)等进阶模式。本工具采用最初的阈值 We_c = 12,临界速度为 $V_c = \sqrt{12\gamma/(\rho L)}$。

同样包含表面张力的 Bond 数 $\mathrm{Bo} = \rho g L^2/\gamma$ 反映重力的作用。Bo < 1 表面张力支配,液滴球形;Bo > 1 重力压制,液滴扁平。Weber 是动态指标,Bond 是静态指标,两者应分别使用。

实际应用

柴油燃料微粒化:共轨式柴油发动机将 200 MPa 的燃料通过 φ0.1 mm 喷孔,燃料以秒速 500 m/s 喷出。在本工具中输入 ρ=830 kg/m³(轻油)、γ=25 mN/m、L=0.1 mm、V=500 m/s,得到 We ≈ 8.3×10⁵ — 令人震惊的数值。喷雾在喷孔下游瞬间崩解成微小液滴,大幅增加液体表面积,促进与空气混合和燃烧。工程师通过目标 SMD(Sauter 平均直径)反推所需 We 值,从而确定喷射压力和喷孔直径。

农药和涂料喷雾的粒径控制:农药喷施要求液滴不能太大(易脱落)也不能太小(易漂移)。目标通常是 100~300 μm 的 SMD,设计时将喷嘴参数调整到 We=10~50 范围,这需要综合控制速度、粘度和表面张力。在本工具中设置 L=0.3 mm、V=20 m/s、γ=40 mN/m,得到 We ≈ 60,正好处于"振动-分裂边界"附近,是粒径分布稳定的条件。

雨滴的自然破砕:大雨滴(直径 6 mm 以上)最终速度接近 9 m/s,代入 ρ=1000、L=6 mm、γ=73 mN/m、V=9 m/s,得到 We ≈ 6.7×10²,进入袋状破裂区。实际上,大雨在地表附近会从"汉堡状"变成"降落伞状",分裂成多个小液滴(已由高速摄像证实)。气象学中 Marshall-Palmer 分布的最大雨滴直径上限就由这种破砕决定。

喷气发动机燃料喷雾和航空安全:航空发动机燃料雾化器设计要让液滴的 We 保持在 100~1000 范围内,优化燃烧室内的混合和燃烧。相反,在结冰条件下(超冷水滴 SLD),雨滴 We 较小,撞击机翼不会破裂而是铺展开,导致"冰板冻融",严重损害气动性能。在本工具中设置 L=2 mm、V=80 m/s、γ=73 mN/m,得到 We ≈ 1.75×10⁵,说明发动机进气口的液滴破碎极为剧烈。

常见误解和注意事项

最常见的误解是"韦伯数包含粘性的液滴破裂指标"。实际上韦伯数只反映惯性和表面张力的比,粘性效应由另一个 Ohnesorge 数 $\mathrm{Oh} = \mu/\sqrt{\rho L \gamma}$ 衡量。当 Oh < 0.1 时粘性可忽略,We_c ≈ 12 成立;但对于硅油或熔融玻璃等高粘度液体,Oh 很大,We_c 会被粘性增大 2~10 倍。本工具基于 Oh ≪ 1 的假设使用 We_c=12,评估高粘度液体时需要额外修正。

另一个常见误解是"超过 Vc 就必然破裂"。Vc 是定常气流和充足时间下的阈值,短暂的冲击气流可能让液滴只振动而不破裂(类似冲击负荷)。实际喷雾设计时,不仅要看 We 的最大值,还要考虑"液滴经历高 We 的滞留时间",需要对整个喷嘴下游流场进行破裂模式评估。本工具显示瞬时 We,这类时间依赖的评估需要额外分析。

最后是"特征长度 L 总是液滴直径"的思维定式。不同文献采用不同定义:有的用直径,有的用半径,结果会相差 2 倍。本工具遵循 Pilch & Erdman 的惯例采用直径,查阅资料时务必确认定义。同样要区分"界面张力"(液-液间)和"表面张力"(液-气间),本工具以空气界面的表面张力为准。

常见问题

We = ρV²L/γ 是液滴的惯性力(变形·分裂液滴的一方)和表面张力(保持球形的一方)的比。分子 ρV² 是动压,分母 γ/L 是与曲率成正比的表面张力压。两者都是压力维度,因此无量纲化。We 小于 1 时表面张力占优,液滴保持球形;超过 12 时惯性占优,液滴分裂。在工具中输入默认值(水、V=10 m/s、L=2 mm)得到 We=2740,说明雨滴大小的水滴以秒速 10 m 放在气流中会瞬间粉碎。
在气流中的球形液滴的经典实验(Hinze, Pilch & Erdman 等)中,液滴以袋状(bag breakup)开始分裂的韦伯数阈值通常整理为 We_c ≈ 12。随着 We 增加,会依次出现袋柄型、剪切剥离和灾难性分裂等分裂模式。在 Ohnesorge 数 Oh 较小(粘性影响小)的系统中成立,Oh > 0.1 时需要修正。在本工具中,通过上下调整 V,可以观察到 We 在 12 处从"振动"显示切换到"分裂"显示。
Vc = √(12γ/(ρL)) 是 We=12 时的速度,超过这个速度给液滴相对速度就会分裂。对于水(γ=73 mN/m、L=2 mm),Vc ≈ 0.66 m/s 意外地小,是喷雾喷嘴出口后液柱仅通过空气阻力就微粒化的基本指标。将 L 减小到 0.2 mm 时,Vc 增大到 √10 倍的 2.1 m/s,定量说明小液滴更耐破裂。在本工具中改变 L 时,Vc 值会立即更新。
Bo = ρgL²/γ 是重力和表面张力的比,We = ρV²L/γ 是惯性(运动)和表面张力的比。静止液滴的形状(小雨滴呈球形,大的扁平)由 Bo 决定,流中液滴是否破裂由 We 决定。L=2 mm 的水滴,Bo ≈ 0.54 表现为表面张力支配的球形,但同一液滴在 V=10 m/s 气流中受到 We=2740,完全粉碎。本工具同时显示两个参数,可一次掌握静态和动态稳定性的两个方面。

使用指南

  1. 用滑块设置液体密度ρ(kg/m³):水 1000、轻油 850、汽油 750 等范围内选择
  2. 输入相对速度V(m/s):喷嘴出口速度 20~150 m/s 或气流速度
  3. 用滑块调整液滴直径L(mm):0.1~10 mm 范围内微粒化诊断
  4. 设置表面张力σ(mN/m):水 72、轻油 26、乙醇 22 等实际值
  5. 模拟器即时计算韦伯数 We=ρV²L/σ,并判定液滴的稳定性区域

具体计算示例

柴油发动机燃料喷射情形:设置ρ=850 kg/m³、V=80 m/s、L=0.5 mm、σ=26 mN/m,得到 We=544,属于分裂区域(We>20)。此条件下分裂临界速度 Vc≈8.6 m/s,实际喷射速度 80 m/s 远超过此值,所以微粒化进行。Bond 数 Bo=0.18 表明重力影响可忽略,表面张力和惯性力的竞争是控制因素。

实务注意事项