恒热流条件下液滴蒸发Marangoni对流实验研究

发布时间：2021-08-25 15:30

　　为了研究恒热流加热条件下液滴蒸发过程中的Marangoni对流,采用高速摄影和红外测温技术研究了亲水表面5μL的R113液滴在热流密度0～3 575 W/m²范围内的蒸发过程,观察了液滴内部的Marangoni对流,并分析了蒸发时间、接触角、波纹数和胞体直径等参数的变化规律。研究发现:液滴在恒热流加热的亲水表面蒸发时,恒定接触角（CCA）蒸发模式占蒸发过程的50%以上,波纹数和胞体直径随着热流密度的增大而增加,并且波纹数在高热流密度下存在一个稳定期。 

【文章来源】：热能动力工程. 2020,35(12)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

实验系统

无加热时(即q=0 W/m2)R113液滴的自然蒸发过程,如图2所示。其中图2的上半部分为高速摄像机从液滴侧面记录的液滴蒸发图像,图2下半部分为红外摄像机从顶部拍摄的温度变化图像。从红外图像中可以看出,液滴在初始时刻温度场呈现不均匀性。初始时刻液滴上表面最低温度为8.2 ℃,主要是因为R113液体具有强烈的挥发性,通过潜热形式带走大量热量造成的。在R113液滴的蒸发过程中,液滴内部由于温度分布的不均性促使了表面张力梯度的产生,从而产生Marangoni对流。图2中可以清楚地看到Marangoni对流失稳现象产生的波纹由稳定直条纹状变为叉状。由此可以知道R113液滴蒸发时Marangoni对流失稳现象由稳定的热流体波向Bénard-Marangoni(BM)对流转变,这是由于在液滴的蒸发过程中,随着接触角的减小,液滴内法向温度梯度升高的同时切向温度减小,从而法向温度梯度逐渐占主导,因此产生了对流形式的改变[10]。此外,图中还看出,转变过程中波纹数和内部对流区的宽度都逐渐降低。2 实验结果分析

图4为不同热流密度下液滴动态接触角的变化。实验中,由于R113的表面张力系数较小,液滴初始接触角约为18°。在整个蒸发过程中接触角不断减小。R113液滴的动态接触角在初始阶段变化剧烈,中间阶段变化平缓,蒸发末期变化剧烈。研究表明[19-21],恒热流条件下固着纯水液滴在亲水表面蒸发的蒸发模式遵循恒接触半径(CCR)模式。但恒接触角(CCA)模式占据超过50%的总蒸发时间。这主要是因为实验所采用工质不同,R113的表面张力约为水的24%,所以R113液滴具有更好的流动性和润湿性,R113蒸发过程中产生的“粘滑”效应[22]更弱。随着R113液滴的蒸发,三相接触线向液滴中心移动,但接触角保持不变。图4 液滴动态接触角随蒸发时间的变化

【参考文献】：
期刊论文
[1]恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发特性[J]. 高明,孔鹏,章立新.  化工学报. 2018(07)
[2]加热基板上硅油液滴蒸发诱发的Marangoni对流失稳现象实验研究[J]. 贾沂伟,石万元,王天石.  工程热物理学报. 2017(09)
[3]微重力环境下Marangoni对流的有限元数值模拟[J]. 唐泽眉,李家春.  力学学报. 1991(02)



本文编号：3362380