【摘 要】
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蒸发广泛存在于自然界和工业生产的各个领域当中,例如MEMS制冷技术、喷墨印刷技术、蒸馏过程等。当挥发性液体和基底液体存在表面张力梯度时,挥发性液滴的蒸发常会引起界面的对流现象,即Marangoni效应。通过控制Marangoni效应来改变液-液系统中的传热传质规律从而提高生产效率,具有重要的工程价值和学术意义。本课题开展挥发性液滴在液体基底上蒸发特性的实验研究,从不加热和水平加热两个角度出发,探究
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蒸发广泛存在于自然界和工业生产的各个领域当中,例如MEMS制冷技术、喷墨印刷技术、蒸馏过程等。当挥发性液体和基底液体存在表面张力梯度时,挥发性液滴的蒸发常会引起界面的对流现象,即Marangoni效应。通过控制Marangoni效应来改变液-液系统中的传热传质规律从而提高生产效率,具有重要的工程价值和学术意义。本课题开展挥发性液滴在液体基底上蒸发特性的实验研究,从不加热和水平加热两个角度出发,探究挥发性液滴在液体基底上蒸发的界面动力学特性和热质传输规律。理论研究方面,基于挥发性液滴在液体基底上蒸发的动力学原理,理论分析了浓度梯度和温度梯度导致的Marangoni效应,推导出液滴铺展半径、铺展时间随基底厚度、IPA质量分数以及液滴初始体积的变化关系。结果表明:铺展半径与液滴初始体积和基底厚度分别呈Rmax∝Ω01/4,Rmax∝H1/4幂函数关系。同时,液滴铺展时间与液滴初始体积和基底厚度分别呈t∝Ω01/2,t∝H-1/2幂函数关系。理论分析了液滴在液体基底上铺展的两种不稳定性现象:当温度梯度较小时,出现Marangoni对流不稳定性,当温度梯度较大时,出现环状R-P不稳定性。实验研究方面,搭建了液滴在液体基底上蒸发的实验平台,开展了挥发性液滴在等温及加热液体基底上铺展特性实验。通过实验解释了挥发性液滴在液体基底上铺展的动力学机理,粘性应力和Marangoni切向应力的平衡是引起铺展和收缩现象的主要原因。在液滴铺展特性方面,随质量分数的增加,液滴的铺展内径及铺展时间逐渐增大。考虑体积变化的影响,铺展直径的最大值随初始液滴体积增大呈幂函数增长,Rmax=5.81Ω01/4。铺展时间随初始液滴体积增大呈幂函数增长,t=1.87Ω01/2。考虑基底厚度变化的影响,铺展直径的最大值随基底厚度增大呈幂函数增长,Rmax=6.5H1/4。铺展时间随基底厚度增大呈幂函数下降,t=32.77H-1/2。实验发现挥发性液滴在不同温度梯度的液体基底上铺展时,挥发性液滴出现了三种不同铺展现象:Marangoni对流不稳定、环形R-P不稳定性现象和液滴不扩散现象。随着液滴内IPA质量分数的增加,三种现象出现的临界温度梯度值增大,ΔT1从7.08℃增加到12.66℃,ΔT2从9.38℃增加到19℃。对于不同的初始体积,ΔT1从7.49℃变为7.91℃,,ΔT2从9.5℃增加到11.58℃。液滴铺展速度在Marangoni对流不稳定现象时明显下降,从Marangoni对流不稳定现象变换为环形R-P不稳定现象时,铺展速度改变不大。
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