Al_2O_3纳米流体液滴蒸发特性的数值模拟研究

纳米流体液滴蒸发现象在电子设备冷却、喷墨打印以及医学检测等领域都有广泛应用。为了研究水基Al_2O_3纳米流体液滴的蒸发特性,建立了纳米流体液滴蒸发的二维瞬态模型,考虑了纳米颗粒输运行为以及液滴内部流动的影响,并采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE)捕捉气液运动界面。基于所建立的模型,分析了水基Al_2O_3纳米流体液滴内部Marangoni流、纳米颗粒初始浓度以及基板温度对纳米流体液滴蒸发特性的影响规律。结果表明,液滴内部Marangoni流会影响气液界面温度分布和蒸发速率。由于液滴内部纳米颗粒浓度分布和气液界面温度发生变化,纳米流体液滴的蒸发速率随着纳米颗粒初始浓度和基板温度升高而增加。     

Al2O3纳米流体液滴蒸发特性的数值模拟研究

纳米流体液滴蒸发现象在电子设备冷却、喷墨打印以及医学检测等领域都有广泛应用。为了研究水基Al₂O₃纳米流体液滴的蒸发特性,建立了纳米流体液滴蒸发的二维瞬态模型,考虑了纳米颗粒输运行为以及液滴内部流动的影响,并采用任意拉格朗日-欧拉法（ALE）捕捉气液运动界面。基于所建立的模型,分析了水基Al₂O₃纳米流体液滴内部Marangoni流、纳米颗粒初始浓度以及基板温度对纳米流体液滴蒸发特性的影响规律。结果表明,液滴内部Marangoni流会影响气液界面温度分布和蒸发速率。由于液滴内部纳米颗粒浓度分布和气液界面温度发生变化,纳米流体液滴的蒸发速率随着纳米颗粒初始浓度和基板温度升高而增加。     

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。     

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1c St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。     

含有纳米颗粒的悬浮纳米液滴蒸发特性的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学模拟方法,研究单个含有固体金属纳米颗粒的悬浮纳米液滴的蒸发特性。模拟结果表明,含有金属纳米颗粒的悬浮球形纳米液滴,在蒸发过程中基本保持球形不变;模拟温度越高,金属纳米颗粒的质量分数越大,纳米流体液滴的球形度越小。当蒸发过程开始时,纳米流体液滴的蒸发速率很大,而且模拟温度越高,蒸发速率越大,随后,蒸发速率急剧下降;随着蒸发过程的进一步进行,蒸发速率缓慢下降。金属纳米颗粒的种类和质量分数,对悬浮纳米流体液滴的蒸发速率影响不大。     

影响纳米流体液滴蒸发沉积图案的关键因素分析

目前关于液滴蒸发后沉积图案的研究主要集中于描述其物理现象的变化,但是对于蒸发过程中导致沉积图案形成的受力分析少有研究。影响纳米流体液滴蒸发沉积图案的主要因素是与液滴接触的底板温度和纳米颗粒的质量浓度。本文选用4种不同温度（30℃、47℃、64℃和81℃）的玻璃载玻片作为底板,采用粒径为20nm的3种质量分数（0.05%、0.1%和0.2%）的Al₂O₃-H₂O纳米溶液来研究纳米流体液滴在固体表面上蒸发后沉积图案的形成机理。实验结果表明,随着溶液质量分数的增加和底板温度的升高,咖啡圈效应越来越明显,且内环结构也逐渐清晰可见。其中咖啡圈效应由底板温度和溶液质量分数共同影响。溶液质量分数和底板温度都与马兰戈尼（Marangoni）效应呈正相关性,但由停滞点和Marangoni效应产生的内环结构,受底板温度的影响更大。     

悬浮Ar-CH4纳米液滴蒸发过程的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了Ar-CH4二元混合物体系的悬浮纳米液滴的蒸发行为。模拟结果表明,当蒸发过程开始时,混合物纳米液滴的球形度迅速减小;之后,维持在一定的球形度数值上波动。在整个蒸发过程中,纳米液滴基本为球形;模拟温度越高、液滴初始直径越小,球形度越小;甲烷的摩尔分数对球形度的影响不大。在蒸发过程的初期,混合物纳米液滴的蒸发速率较大,且随模拟温度的升高而增大,随液滴初始直径和甲烷摩尔分数的增大而减小。随着蒸发时间的延长,蒸发速率先急剧减小;然后,再缓慢减小。气体空间内惰性组分的加入,并不影响混合物纳米液滴的蒸发速率。     

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2μl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。     

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。     

电场作用下基面液滴蒸发与内部流动数值模拟

为探究电场强化基面液滴蒸发的原理,本文采用有限元方法,对外加电场作用下的固体基面上液滴的蒸发过程进行了数值模拟,对比了不同电导率液滴的蒸发过程,分析了电场、液滴蒸发速率和内部流动的影响及其成因,以及液滴在电场作用下的内部流动与液滴传热传质的关系,结果表明,电场力的作用能够显著强化液滴内部的流动,对液滴的传热传质具有促进作用。此外,本文分析了温度对电场下基面液滴蒸发及内部流动的影响,发现温度对电场、液滴内部流动及蒸发的强化作用也有着较为明显的影响：对于电导率较低的纯水液滴,当电场强度低于和高于临界值6kV/cm时,温度对电场强化液滴内部流动和蒸发的影响有所不同;对于电导率较高的盐酸液滴,温度对电场强化液滴内部流动和蒸发的影响随电场强度升高均较大。本文为发展高效静电喷雾冷却技术提供了研究基础。     

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。     

Al2O3纳米流体动态喷射真空制冰特性

配制溶质为Al₂O₃纳米粒子、黄原胶为分散剂,经超声波振荡后分散均匀稳定的Al₂O₃-H₂O纳米流体。利用真空动态喷射制冰实验装置,设定初始压力300 Pa,研究在有无固体吸附作用、不同纳米流体浓度、不同纳米颗粒粒径和不同供液流量下的真空闪蒸制冰特性。结果表明,吸附作用对真空制冰系统稳压效果显著且有助于捕捉实验中的水蒸气;当冷却介质温度低于吸附剂初始温度时,吸附剂有更好的吸附能力但冷却温度不宜过低;纳米流体浓度越大、纳米粒子粒径越小,更利于制取高含冰率的冰浆;对于同一浓度的纳米流体,合理控制供液流量可以获得不同含冰率的冰浆;在2%（质量）NaCl下,各粒径的纳米流体浓度不宜超过0.05%（质量）。     

水平及竖直基底上微小固着液滴的蒸发特性分析

为揭示非水平表面上微小蒸发液滴的传热传质特性,本文在准稳态模型的假设下构造三维液滴模型,综合考虑了蒸气扩散、蒸发冷却以及气相域中的自然对流这3种传输机理,对水平以及竖直基底上液滴的蒸发过程进行数值研究。通过分析气液界面上温度分布、蒸发通量分布及总蒸发率的变化,重点探究了基底过热度以及重力的改变对液滴蒸发特性的影响。结果表明：与水平基底上温度的对称分布不同,竖直基底上气液界面温度分布表现出明显的非对称性,且非对称性随基底过热度的升高而增强,最低温度点不再位于液滴顶点,而向一侧偏移。此外,水平基底上气液界面局部蒸发通量呈对称分布,各截面分布相似,而竖直基底上局部蒸发通量分布则呈现出显著的非对称性以及各截面异性,非对称性随着基底过热度的升高而增强,这是重力改变后气相域自然对流发生改变的结果。与水平基底相比,竖直基底上蒸发率更高,总蒸发时间更少。最后,基底由水平变为竖直时,液滴内部流场由对称双涡转变为非对称单涡,单涡流速显著大于双涡流速,液滴内流速随基底过热度的上升而增大,单涡环流造成了气液界面温度分布的改变以及最低温度点的偏移。     

Flow visualization and solute transport in evaporating droplets

We have investigated the velocity field and associated particle transport in an evaporating water droplet using the tool of particle image velocimetry. Experiments were performed where single droplets containing polystyrene particles were exposed to evaporation. Our method applicable to droplets confined between two parallel surfaces differs from the conventional PIV techniques on the 3D droplets and removes many of the limitations associated with mapping of velocity field. To avoid refraction of light at the droplet surface we have studied the motion in a disc‐shaped droplet which was prepared by confining the drop between two nonwetting surfaces and its base is pinned to a wetting surface. Experiments were carried out under the conditions where Marangoni flow creates convection cells and finally leading to deposition of particles toward the pinned edge. The contact angle, height of the droplet, velocity field, and the particle concentration inside the evaporating droplet was measured and its time evolution was recorded. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 56: 1674–1683, 2010     

The separation of two different sized particles in an evaporating droplet

The separation of two different sized particles during evaporation of a dilute droplet is examined both computationally and experimentally. A transport model of the evaporating droplet system was solved using the finite element method to determine the fluid velocity, pressure, vapor concentration surrounding the droplet, temperature, and both particle concentrations. Experimentally, 1 μm and 3 μm polystyrene particles were used during the evaporation of a sessile water droplet. It was determined that to accurately model particle deposition, thermal effects need to be considered. The Marangoni currents in evaporating droplets keep particles suspended in the droplet until the end of the evaporation. Previous models of particle deposition during droplet evaporation have rapid accumulation of particles at the contact line. Our experiments and the experiments of others demonstrate that this is not accurate physically. In addition, to model the separation of two different sized particles the consideration of thermal effects is essential. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 3547–3556, 2015     

Mass transfer characterization for hydrocarbon liquid–particle collision based on sensitive tracing of fluorescent probe

The heat and mass transfer characteristics during the collision process of hydrocarbon droplets and polyethylene particles in a liquid-containing gas–solid polyethylene fluidized bed reactor significantly affect the product quality. In this work, the mass transfer process of single-component hydrocarbon and bi-component hydrocarbon liquid films on the polyethylene particle surface were quantitatively characterized by a newly developed experimental approach, based on a novel synthesized hydrocarbon liquid soluble fluorescent probe for sensitive tracing of hydrocarbon liquid diffusion. It was found that the boiling point and surface tension of the liquid as well as the surface temperature of the particle are the key factors affecting the mass transfer properties of the liquid film. Marangoni convection was observed and characterized on the particle surface. The critical time for the onset of Marangoni flow is between 4 and 8 s.