能源与动力工程系

Department of Energy and Power Engineering

清华大学能动系燃烧能源中心吕思佳等人在Leidenfrost液滴的研究中取得新进展

近日,清华大学能源与动力工程系/燃烧能源中心吕思佳等人在《Science Advances》上发表了题为《Leidenfrost液滴的最终命运:爆炸或起飞》(Final fate of a Leidenfrost droplet: Explosion or takeoff)的研究论文。该研究观察到蒸发的Leidenfrost液滴的初始大小和初始杂质浓度会决定液滴在蒸发末期的命运是爆炸或是起飞。

对于一个放置在加热表面的液滴,其蒸发速率随着加热表面温度的增加而增加。然而当加热表面的温度超过某一特定值时,液滴会悬浮在由于自身蒸发所产生的蒸汽层上,蒸汽层将液滴与加热表面分隔开,处于此状态的液滴被称为“Leidenfrost液滴”。1756年Johann Gottlob Leidenfrost在第一篇关于Leidenfrost液滴的文章中报道表明在液滴蒸发末期会听见明显的爆破声。而Leidenfrost液滴蒸发末期的行为到底是怎样的?Leidenfrost本人所听到的爆破声是由于什么原因造成的?这些疑问却迟迟没有得到解答。

为此吕思佳等多位研究者进行合作,对这一现象进行了深入的研究。在研究过程中,他们发现爆破声可能来源于Leidenfrost液滴在蒸发末期所发生的爆炸现象(见图1b),为Leidenfrost提到的爆破声提供一个可能的解释。利用高速相机对液滴的侧面和底部进行同步观察,发现爆炸是由于液滴底部与加热表面的局部接触所引起的(见图1b)。

图1  蒸发的乙醇液滴展现出两种不同的最终命运

该研究还发现Leidenfrost液滴在蒸发末期存在两种完全不同的命运。实验证实:初始尺寸较小的液滴易起飞离开加热表面,而初始尺寸较大的液滴则易产生爆炸(见图1a,b)。通过理论分析和实验验证,发现液滴内部的杂质会随着蒸发过程不断在液滴表面聚集,使得液滴的蒸发速率降低,蒸汽层的厚度减小(见图2b)。当液滴底部与加热表面产生局部接触时,液滴会发生剧烈的爆炸(见图2a)。该研究发现液滴在蒸发末期的命运是爆炸或是起飞是由液滴的初始尺寸和初始杂质浓度共同决定的,因此他们提出了用于预测液滴最终命运的判断标准。

图2  Leidenfrost液滴的爆炸现象及其理论模型

此项研究对于需要避免Leidenfrost液滴产生的冷却系统有重大意义,例如从增强传热的角度考虑,可在液滴中加入一些数量可控的微米级颗粒用于破坏液滴蒸汽层的产生,使液滴与加热表面接触进而产生爆炸,破坏液滴的膜态沸腾状态。同时此项研究提出可通过控制液滴的尺寸和杂质浓度来控制液滴的输运过程和液滴内部颗粒的沉积,从而对Leidenfrost液滴在工业中的应用提供指导和帮助。

清华大学能动系/燃烧能源中心2016级直博生吕思佳和布朗大学工程学院的博士后Varghese Mathai为文章的共同第一作者,通讯作者为孙超教授。合作者分别为清华大学能动系王俞杰,布鲁塞尔自由大学博士后Benjamin Sobac和Pierre Colinet教授,以及荷兰特文特大学的Detlef Lohse教授。 

论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaav8081

(供稿:吕思佳 编辑:王芷涵 核发:王淑娟)


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