单液滴蒸发研究的现状与展望

本文简要评析了单液滴的蒸发机理、蒸发模型及影响蒸发的主要因素,系统介绍了单液滴蒸发的实验研究方法及其特点,分析讨论单个毫米级球形大液滴及微米级球形小液滴的蒸发动力学理论规律,并对液滴蒸发特性研究的未来发展趋势进行了展望。     

超疏水表面液滴蒸发内部流体流动与传热分析

基于椭球模型,模拟了超疏水表面上固着纯水液滴的蒸发过程,探究了蒸发过程中液滴外形、体积、接触角、表面温度和蒸发速率的变化,以及液滴内部温度和流线的分布情况。结果表明:液滴蒸发过程中,液滴顶部局部表面温度最大,接触线处最小,且随蒸发的进行表面温度逐渐减小。液滴体积演变行为区别于亲水表面,这表明基板特性影响了液滴蒸发机理。液滴蒸发初始时刻,全局蒸发速率最大,随蒸发的进行,全局蒸发速率逐渐减小。液滴表面温度分布不均匀使得液滴表面产生了张力梯度,张力梯度引起了液滴内部流体流动;近气液界面处流体由液滴顶部向下流动,液滴内部流体由下向上流动,形成了Marangoni流。流体流动伴随着热量的传递,导致接触线附近温度较低,液滴内部中心处温度较高。     

平面上固定接触角蒸发液滴内Marangoni对流失稳现象

实验观察了水平加热基板上1cSt硅油液滴在固定接触角蒸发模式下的Marangoni对流失稳模式的演化规律,分析了接触角和基板温度对Marangoni对流不稳定性的影响。结果表明,随着基板温度的升高液滴内依次呈现热毛细对流、稳定的Bénard-Marangoni（BM）对流和不规则振荡的BM对流。对于稳定的BM对流,涡胞数随润湿半径的减小逐渐减少;当涡胞数少于5时,涡胞变为圆形;随着接触角的增大,由热毛细对流转捩为稳定的BM对流时的临界Marangoni数（Ma_c）增大;蒸发过程中,液滴内无量纲涡胞数随无量纲润湿半径的增大而线性增大,与接触角无关。     

基板温度对超疏水表面液滴蒸发影响

基于椭球模型,模拟了不同基板温度条件下超疏水表面上固着纯水液滴的蒸发过程,探究了蒸发过程中液滴蒸发时间、接触角演变行为、液滴表面温度和蒸发速率等参量。结果表明:基板温度越高,液滴蒸发寿命越短,且蒸发时间随基板温度呈线性关系。液滴蒸发过程中,接触角随蒸发时间成非线性变化。因较大的高径比和较小的热扩散率,基板温度对液滴蒸发初始阶段影响较小。近接触线区域液滴表面温度梯度较大,其他区域温度梯度较小;且基板温度越高,除近接触线区域液滴表面温差越小,这说明蒸发冷却效应受到了抑制。同一体积条件下,基板温度越高,液滴蒸发速率越大,且蒸发速率随基板温度呈指数变化。     

工业高盐废水液滴蒸发特性研究进展

雾化液滴蒸发特性是利用喷雾干燥法处理工业高盐废水的关键基础。综述了高盐废水液滴蒸发特性相关研究,首先介绍了喷雾蒸发技术处理工业废水的应用现状,通过对液滴群和单液滴蒸发特性进行了总结,分析表明,单液滴实验可以弥补液滴群实验无法反映液滴蒸发动态过程的缺陷。综述了高含固含盐溶液单液滴蒸发的理论和实验研究,比较了几类单液滴测试方法的优缺点,归纳了内外部因素对单液滴蒸发特性的影响,指出未来可依靠单液滴实验构建废水液滴干燥动力学模型,并将其耦合CFD精确描述喷雾蒸发进程,同时需要进一步开展对废水液滴蒸发特性的研究,根据废水水质等条件合理配置工艺参数控制蒸发进行,为废水零排放提供理论基础。     

氧化铝纳米流体液滴瞬态蒸发速率的演化特性分析

以氧化铝纳米流体液滴为研究对象,本文建立了基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）法的液滴蒸发瞬态模型,对液滴蒸发过程中蒸汽浓度、纳米颗粒浓度、温度等进行多物理场耦合,并考虑了Marangoni流对液滴蒸发的影响,同时研究还结合蒸发实验可视化结果,分析了氧化铝纳米流体液滴的瞬态蒸发速率随时间的演化规律,讨论了颗粒体积分数和基板温度对蒸发模式的影响。结果表明,在液滴蒸发过程开始时,纳米流体液滴保持定接触半径蒸发模式,气液界面面积逐渐减小,瞬态蒸发速率也呈逐渐减小的趋势;当颗粒体积分数增大至26%时,瞬态蒸发速率曲线达到驻点;蒸发接近完全时,由于Marangoni流影响了内部流场、强化了内部传热,且液滴在已沉积在基板上的颗粒表面形成液膜,瞬态蒸发速率迅速增大。     

单液滴蒸发影响因素实验研究

设计了液滴蒸发实验装置,利用高速摄像系统记录高温气流中液滴蒸发过程,并根据实验的数据总结出液滴蒸发规律。在蒸发过程中,液滴蒸发首先经历一个非稳态初始加热阶段,然后液滴蒸发进入一个相对稳定的蒸发阶段,其直径变化基本遵循D2定律。气流温度越高,气流速度越大,液滴蒸发时间越短,液滴蒸发速度越快,但是气流速度对蒸发影响很小。随着液滴初始直径的增大,内部环流加强,液滴后部的尾涡加大,传质阻力减小,液滴的蒸发常数变大。     

太阳能加热液滴在亲疏水表面"黏-滑"蒸发

实验研究了亲水和疏水表面上太阳能加热去离子水及金纳米流体液滴三相接触线动力学。在亲水和疏水表面滴加2μL去离子水和纳米流体液滴,用一定功率太阳能模拟器照射液滴使其蒸发,期间采用高速摄像机实时记录液滴在不同表面上的蒸发过程。由MATLAB程序处理图像得到液滴在不同表面上蒸发过程中接触角和接触圆直径的动态变化过程。发现液滴接触线在不同亲疏水表面上存在不同运动特性。去离子水液滴在亲水表面上常接触面积模式和常接触角模式依次控制蒸发过程。去离子水液滴在疏水表面上都呈现出“黏-滑”蒸发特性,即液滴先以常接触面积模式蒸发,之后接触线快速滑动,接触线固定后再以常接触面积模式蒸发,依次往复。纳米流体液滴在亲水表面上主要以常接触面积蒸发模式为主,在疏水表面上同样呈现“黏-滑”蒸发特性。从液滴表面能角度出发,对液滴接触线“钉扎”和“去钉扎”过程进行详尽分析,得出基底润湿性和纳米颗粒沉积是影响液滴接触线在表面上运动的重要因素。     

热烟气环境下脱硫废水液滴蒸发特性研究进展

利用热烟气作为热源喷雾蒸发脱硫废水具有工艺简单、处理效率高等优点,但脱硫废水液滴蒸发机制不清是各种热烟气蒸发工艺存在的共性问题。本文综述了脱硫废水热烟气蒸发工艺中液滴（群）蒸发特性研究,首先介绍了脱硫废水液滴在高温烟气中的蒸发过程,指出其蒸发过程与纯水滴存在明显差异,原因在于盐溶液蒸汽压降效应及析盐成壳。进而分析了脱硫废水烟道蒸发工艺中液滴群蒸发实验研究现状,总结过程参数如烟温、烟速及废水水质对蒸发的影响。接着介绍了相关数值模拟研究及干燥动力学模型,用于获取工艺参数和不同水质脱硫废水蒸发特性的内在关联。同时为获得干燥动力学模型所需脱硫废水蒸发信息,简述了单液滴蒸发测试技术及其在含固含盐液滴蒸发中的相关研究。最后提出可将反应工程法模型耦合CFD精确描述脱硫废水液滴蒸发进程,将宏观尺度下液滴群蒸发信息和单液滴蒸发特性结合,揭示脱硫废水液滴蒸发的内在机制。     

恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发特性

以恒热流方式结合高速摄影技术同步观察记录3 μl的小液滴在不同亲疏水表面的蒸发过程。通过一系列的对比实验观察记录了不同亲疏水表面液滴蒸发时接触角、接触直径、蒸发时间等的动态特性。从实验分析中可以看出亲水表面液滴蒸发速率比疏水表面上液滴蒸发速率快,并且随着热通量的增大,液滴蒸发速率增大。在恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发以CCR模式为主,在蒸发后期呈现混合蒸发模式,全程未出现CCA模式。     

水-乙醇二元混合固着液滴的蒸发特性

选用单晶硅片和聚四氟乙烯（PTFE）膜作为基底,采用四种浓度的乙醇水溶液,研究水-乙醇二元混合液滴在固体表面上的蒸发规律。实验结果表明,添加乙醇缩短了液滴的蒸发时间,减弱了液滴的钉扎效应,使得固着液滴更容易发生滑移。并且,在同一蒸发阶段可能同时存在着两种液体的蒸发,但当乙醇浓度较高时,乙醇先于水蒸发。对于硅片表面,当乙醇浓度到达30%时,第一阶段为纯乙醇蒸发;而对于PTFE表面,该乙醇浓度阈值为20%,即固体表面的亲疏水性会影响混合液滴中两组分的蒸发次序。     

超疏水表面太阳能加热金-水纳米流体液滴蒸发特性

实验研究了超疏水表面上太阳能加热金纳米流体液滴蒸发特性。用高速摄像机和红外摄像机同步触发记录了2 μl不同浓度金纳米流体液滴在超疏水表面的蒸发过程。通过一系列实验，观察对比不同浓度金纳米流体液滴蒸发过程中体积、接触角、接触直径、液滴表面温度以及蒸发速率等动态特性。结合水蒸气扩散模型以及红外温度图分析液滴在超疏水表面上的蒸发过程中蒸发通量变化以及表面温度变化等特性。发现不同浓度纳米流体液滴蒸发速率基本一致；超疏水表面上液滴蒸发以常接触角模式为主，后期呈现混合模式蒸发；液滴蒸发过程中，液滴上半部分蒸发通量大，致使液滴表面温度较低。     

Theoretical and experimental analysis of droplet evaporation on solid surfaces

The evaporation of sessile drops is central to a number of important processes, including printing, washing and coating. In this paper, the evaporation of water sessile droplets on hydrophobised silicon wafers and Teflon was analysed from theoretical and experimental perspectives. The contact angle, volume and base radius of the water droplets as a function of time were determined using tensiometry. The theoretical analysis showed different evaporative flux phenomena for acute and obtuse contact angles. The non-linear evolution of residual droplet volume, contact angle and base radius are solved and depend on the hydrophobicity of the solid surface and droplet dimension. Good agreement between the theoretical and experimental results was observed during pinning and depinning stages of evaporation. It was shown that the surface roughness, hydrophobicity and the contact angle hysteresis significantly influenced the evaporation of sessile drops and need to be considered when quantifying the evaporation process.     

多种类型液滴蒸发综述

液滴蒸发过程是伴随着复杂变化但又没有统一且充分认知的的过程,是目前一个重要的研究热点,在许多科学应用中起到关键作用。本文介绍了液滴蒸发的历史研究过程,综述了3种不同类型液滴,即纯液滴、二元混合溶液液滴和聚合物溶液液滴蒸发过程的研究成果,分析了液滴蒸发过程中和蒸发结束后沉积物的影响因素,简述了液滴的研究成果在实际生活中的应用。现有研究表明,不同类型液滴的蒸发过程受到多种因素的影响,比如溶液中的纳米粒子、环境温度和压力等。这些因素还会影响到沉积物的图案和大小。目前,研究人员已经研究出典型的液滴蒸发过程（接触线固定和接触角固定模式）,讨论出液滴蒸发基本理论。对一些常见的二元及多元溶液,研究人员已经发现它们与纯溶液蒸发过程的不同之处,并且已经在科学界进行了大量的研究及讨论,建立出数学模型。最后重点介绍了液滴蒸发在医学领域的研究成果、应用和未来发展的方向,比如通过生物液滴蒸发后的沉积物的纳米层,跟正常沉积物对比结果来检测疾病等。最后对液滴蒸发理论的现状、潜力和未来发展需求进行了总结和展望。     

An Experimental Method for Three-Dimensional Dynamic Contact Angle Analysis

Abstract

Droplet dynamics analysis concerns the measurements of droplet volume, cap and base areas and contact angles, as they change in time to study evaporation, wettability, adhesion and other surface phenomena and properties. In a typical procedure, the two-dimensional measurements are based on a series of images recorded at successive stages of the experiment from a single view. Only a few basic dimensions of sessile droplets are commonly measured from such images, while many other quantities of interest are derived utilizing geometrical relationships. The reliability of these calculations is limited by the necessary assumption that the droplet shape can be approximated as a spherical cap. In reality, the sessile droplet shapes are influenced by gravity, liquid surface tension, local surface anisotropy and microstructure, which often produce non-spherical cap shapes.

This paper describes an experimental methodology for determination of key parameters, such as volume and contact angle for dynamic sessile droplets that can be approximated either by spherical or ellipsoidal cap geometries. In this method, images collected simultaneously from three cameras positioned orthogonally to each other are used to record the dynamic behavior of non-spherical droplets. Droplet shape is approximated as an ellipsoid of arbitrary orientation with respect to the cameras, which allows determination of volume and contact angle along the base perimeter. A major advantage of this method is that the dynamic parameters of droplets on anisotropic surfaces can be determined even when the orientation of the axes changes throughout the droplet lifetime. The method is illustrated with experimental results for a spherical and an ellipsoidal droplet.     

Wettability and the evaporation rates of fluids from solid surfaces

The interfacial forces which determine the interaction between a fluid and a solid surface have been investigated under dynamic conditions. The evaporation characteristics of fluid drops placed on solid surfaces have also been investigated. The rate of evaporation of drops of liquids placed on smooth solid surfaces with wetting characteristics, i.e. contact angle, , < 90° (water on glass), was found to be different from that in the case of non-wetting liquids, i.e. O > 90° (water/Teflon). If O is less than 90°, the evaporation rates are linear; however, if O > 90°, the rates are non-linear. In the case of O < 90°, O decreases and the radius of the contact area between the liquid and solid stays constant. However, in the case where O > 90°, the contact angle remains constant and the interfacial line of contact decreases under evaporation. The evaporation rates of fluids from porous solids provide useful information about porosity and the characteristics of the pore size, and the data allow one to measure the pore volume. These data were found to agree with the pore volume data obtained by other methods (such as Hg porosimetry and BET).