Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Quá Trình Bay Hơi Của Giọt Lỏng Đứng Yên Và Lớp Lỏng Ở Trạng Thái Cân Bằng
Tóm tắt
Giọt lỏng ethanol với đường viền không đổi và lớp lỏng với chiều cao không đổi trong trạng thái cân bằng đã được điều tra thực nghiệm bằng cách sử dụng nhiệt học hồng ngoại và kỹ thuật kiểm soát thể tích. Quá trình truyền nhiệt và khối lượng cùng các mô hình dòng nhiệt tại giao diện khí–lỏng trong quá trình bay hơi giọt và lớp đã được phân tích thông qua các đường cong mật độ dòng nhiệt và các trường nhiệt độ tại giao diện. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng quá trình bay hơi trong trạng thái ổn định của giọt lỏng và lớp tại bề mặt xuất hiện sau khi tốc độ bay hơi bằng với tốc độ bổ sung do sự cấp nước liên tục và trường nhiệt độ trở nên đồng nhất. Đối với giọt đang bay hơi, có hai giai đoạn chính trong quá trình bay hơi: bay hơi không ổn định với dòng nhiệt giảm dần và bay hơi ổn định với dòng nhiệt không đổi. Trong giai đoạn ổn định, nhiệt độ tại giao diện dần trở nên đồng nhất, và các tế bào đối lưu tại giao diện không còn. Đối với lớp đang bay hơi, có ba giai đoạn chính: đầu tiên, hình thành và phân chia các tế bào đối lưu Marangoni, sau đó là sóng thủy nhiệt lan truyền từ "nguồn" đến "bẫy", và cuối cùng là giai đoạn dòng chảy ổn định không có tế bào xoáy. Những kết quả này cũng cho thấy rằng hướng của gradient nhiệt độ tại giao diện giọt đang bay hơi là ngược lại dưới các vật liệu nền khác nhau (Nhôm và PTFE). Mật độ dòng nhiệt của giọt đang bay hơi trên nền Nhôm lớn hơn so với trên PTFE, dẫn đến tốc độ bay hơi cao hơn. Những phát hiện mới này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế liên kết giữa sự thay đổi pha và đối lưu nhiệt bên trong các giọt và lớp lỏng đang bay hơi.
Từ khóa
#bay hơi #giọt lỏng #lớp lỏng #đối lưu nhiệt #nhiệt học hồng ngoại #Marangoni #gradient nhiệt độTài liệu tham khảo
Brutin, D., Sobac, B., Rigollet, F., Niliot, C.: Infrared visualization of thermal motion inside a sessile drop deposited onto a heated surface. Exp. Thermal Fluid Sci. 35(3), 521–530 (2011)
Brutin, D., Zhu, Z., Rahli, O., Xie, J., Liu, Q., Lounès, T.: Evaporation of ethanol drops on a heated substrate under microgravity conditions. Microgravity Sci. Technol. 22(3), 387–395 (2010)
Brutin, D., Starov, V.: Recent advances in droplet wetting and evaporation. Chem. Soc. Rev. 47, 558–585 (2018)
Carle, F., Sobac, B., Brutin, D.: Hydrothermal waves on ethanol droplet evaporating under terrestrial and reduced gravity levels. J. Fluid Mech. 712, 614–623 (2012)
Cerisier, P., Rahal, S., Rivier, N.: Topological correlations in bénard-marangoni convective structures. Phys. Rev. E 54(5), 5086–5094 (1996)
Chen, X., Zhu, Z., Liu, Q., Wang, X.: Thermodynamic behaviors of macroscopic liquid droplet evaporation from heated substrates. Microgravity Sci. Technol. 27(5), 353–360 (2015)
Chen, X., Wang, X., Chen, P., Liu, Q.: Thermal effects of substrate on Marangoni flow in droplet evaporation: response surface and sensitivity analysis. Int J Heat and Mass Trans. 113, 354–365 (2017)
Cummings, J., Lowengrub, J., Sumpter, B., et al.: Modeling solvent evaporation during thin film formation in phase separating polymer mixture. Soft Matter 14(10), 1833–1846 (2018)
Daviaud, F., Vince, J.: Traveling waves in a fluid layer subjected to a horizontal temperature gradient. Phys. Rev. E 48(6), 4432–4436 (1993)
Ezersky, A., Garcimartín, A., Mancini, H., Pérez-García, C.: Spatiotemporal structure of hydrothermal waves in marangoni convection. Phys. Rev. E 48(6), 4414–4422 (1993)
Ghasemi, H., Ward, C.: Mechanism of sessile water droplet evaporation: kapitza resistance at the solid–liquid interface. J. Phys. Chem. C 115(43), 21311–21319 (2011)
Karapetsas, G., Matar, O., Valluri, P., Sefiane, K.: Convective rolls and hydrothermal waves in evaporating sessile drops. Langmuir 28(31), 11433–11439 (2012)
Kavehpour, P., Ovryn, B., Mckinley, G.: Evaporatively-driven marangoni instabilities of volatile liquid films spreading on thermally conductive substrates. Colloids Surf. A 206(1–3), 409–423 (2002)
Koschmieder, E., Prahl, S.: Surface-tension-driven benard convection in small containers. J. Fluid Mech 215, 571–583 (1990)
Liu, W., Chen, P., Ouazzani, J., Liu, Q.: Thermocapillary flow transition in an evaporating liquid layer in a heated cylindrical cell. Int J Heat and Mass Trans. 153, 119587 (2020)
Riley, R., Neitzel, G.: Instability of thermocapillary–buoyancy convection in shallow layers. part 1. characterization of steady and oscillatory instabilities. J. Fluid Mech. 359, 143–164 (1998)
Ristenpart, W., Kim, P., Domingues, C., Wan, J., Stone, H.: Influence of substrate conductivity on circulation reversal in evaporating drops. Phys. Rev. Lett. 99(23), 234502 (2007)
Schatz, M., Neitzel, G.: Experiments on thermocapillary instabilities. Annu. Rev. Fluid Mech. 33(1), 93–127 (2001)
Schatz, M., Vanhook, S., Mccormick, W., Swift, J., Swinney, H.: Onset of surface-tension-driven bénard convection. Phys. Rev. Lett. 75(10), 1938–1941 (1995)
Sefiane, K., Fukatani, Y., Takata, Y., Kim, J.: Thermal patterns and hydrothermal waves (htws) in volatile drops. Langmuir 29(31), 9750–9760 (2013)
Sefiane, K., Karapetsas, G., Saenz, P., Valluri, P., Matar, O.: Numerical study of the evaporation of sessile drops: formation of hydrothermal waves. Comput. Mater. Sci. 103(2), 1–7 (2015)
Sefiane, K., Moffat, J., Matar, O., Craster, R.: Self-excited hydrothermal waves in evaporating sessile drops. Appl. Phys. Lett. 93(7), 74103 (2008)
Sefiane, K., Steinchen, A., Moffat, R.: On hydrothermal waves observed during evaporation of sessile droplet. Colloids Surf., A 365(1–3), 95–108 (2010)
Shi, W., Rong, S., Feng, L.: Marangoni convection instabilities induced by evaporation of liquid layer in an open rectangular pool. Microgravity Sci. Technol. 29(1–2), 91–96 (2017)
Smith, M., Davis, S.: Instabilities of dynamic thermocapillary liquid layers. part 1. convective instabilities. J. Fluid Mech. 132(1), 119 (1983).
Sobac, B., Brutin, D.: Thermal effects of the substrate on water droplet evaporation. Phys. Rev. E 86(2), 21602 (2012a)
Sobac, B., Brutin, D.: Thermocapillary instabilities in an evaporating drop deposited onto a heated substrate. Phys. Fluids 24(3), 32103 (2012b)
Toth, B., Teams, O., Industry, S.: Future experiments to measure liquid-gas phase change and heat transfer phenomena on the international space station. Microgravity Sci. Technol. 24(3), 189–194 (2011)
Yamada, Y., Nishikawara, M., Yanada, H., Ueda. Y.: Predicting the performance of a loop heat pipe considering evaporation from the meniscus at the three-phase contact line. Therm. Sci. Eng. Prog. 11, 125–132 (2019).
Yu, Q., Cai, S., Zhu, Z., Liu, Q., Zhou, B.: Droplet image feedback control system in evaporation experiment. Microgravity Sci. Technol 22(2), 139–144 (2010)
Zhong, X., Duan, F.: Stable hydrothermal waves at steady state evaporating droplet surface. Sci. Rep. 7(1), 16219 (2017)