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清華大學燃燒能源中心/能動系呂思佳等人在Leidenfrost液滴的研究中取得新進展
時間:2019-05-06 11:28

近日,清華大學燃燒能源中心/能源與動力工程系呂思佳等人在《Science Advances》上發表了題為《Leidenfrost液滴的最終命運:爆炸或起飛》(Final fate of a Leidenfrost droplet: Explosion or takeoff)的研究論文。該研究觀察到蒸發的Leidenfrost液滴的初始大小和初始雜質濃度會決定液滴在蒸發末期的命運是爆炸或是起飛。

對于一個放置在加熱表面的液滴,其蒸發速率隨著加熱表面溫度的增加而增加。然而當加熱表面的溫度超過某一特定值時,液滴會懸浮在由于自身蒸發所產生的蒸汽層上,蒸汽層將液滴與加熱表面分隔開,處于此狀態的液滴被稱為“Leidenfrost液滴1756Johann Gottlob Leidenfrost在第一篇關于Leidenfrost液滴的文章中報道表明在液滴蒸發末期會聽見明顯的爆破聲。而Leidenfrost液滴蒸發末期的行為到底是怎樣的?Leidenfrost本人所聽到的爆破聲是由于什么原因造成的?這些疑問卻遲遲沒有得到解答。

為此呂思佳等多位研究者進行合作,對這一現象進行了深入的研究。在研究過程中,他們發現爆破聲可能來源于Leidenfrost液滴在蒸發末期所發生的爆炸現象(見圖1b),為Leidenfrost提到的爆破聲提供一個可能的解釋。利用高速相機對液滴的側面和底部進行同步觀察,發現爆炸是由于液滴底部與加熱表面的局部接觸所引起的(見圖1b)。

1 蒸發的乙醇液滴展現出兩種不同的最終命運

該研究還發現Leidenfrost液滴在蒸發末期存在兩種完全不同的命運。實驗證實:初始尺寸較小的液滴易起飛離開加熱表面,而初始尺寸較大的液滴則易產生爆炸(見圖1a,b)。通過理論分析和實驗驗證,發現液滴內部的雜質會隨著蒸發過程不斷在液滴表面聚集,使得液滴的蒸發速率降低,蒸汽層的厚度減小(見圖2b)。當液滴底部與加熱表面產生局部接觸時,液滴會發生劇烈的爆炸(見圖2a)。該研究發現液滴在蒸發末期的命運是爆炸或是起飛是由液滴的初始尺寸和初始雜質濃度共同決定的,因此他們提出了用于預測液滴最終命運的判斷標準。

2 Leidenfrost液滴的爆炸現象及其理論模型

此項研究對于需要避免Leidenfrost液滴產生的冷卻系統有重大意義,例如從增強傳熱的角度考慮,可在液滴中加入一些數量可控的微米級顆粒用于破壞液滴蒸汽層的產生,使液滴與加熱表面接觸進而產生爆炸,破壞液滴的膜態沸騰狀態。同時此項研究提出可通過控制液滴的尺寸和雜質濃度來控制液滴的輸運過程和液滴內部顆粒的沉積,從而對Leidenfrost液滴在工業中的應用提供指導和幫助。

清華大學燃燒能源中心/能動系2016級直博生呂思佳和布朗大學工程學院的博士后Varghese Mathai為文章的共同第一作者,通訊作者為孫超教授。合作者分別為清華大學能動系王俞杰,布魯塞爾自由大學博士后Benjamin SobacPierre Colinet教授,以及荷蘭特文特大學的Detlef Lohse教授。

論文鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaav8081


供稿:呂思佳
編輯:羅磊 
審核:劉有晟

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