蒸发固着液滴下金属箔加热器表面的热流

摘要

对水珠在水平加热基底上的蒸发进行了实验研究。加热器是用25厚的康铜箔制成的μ尺寸为42 × 35毫米²．用红外相机测量了铝箔底部表面的温度。为了确定接触线附近液体蒸发时的热流密度，利用温度数据求解了热方程的柯西问题。最大热流密度是在接触线区域获得的，超过了整个箔表面的平均热流密度的5-7倍。被水滴润湿的区域的平均热流密度超过整个箔表面的平均热流密度的3-5倍。这一事实是由于箔材料的相对高的导热系数和接触线区域的高蒸发率，热从箔外围流到滴。研究了固着液滴对的热流密度分布。

1.介绍

液滴在固体表面移动或扩散的现象广泛分布于自然界、不同的技术领域和技术领域。例如，在固体表面的液体膜涂层技术、肥料和农药喷洒、强化钢装置、电子设备的喷雾冷却系统等方面都可以观察到它们。液滴在小高度矩形通道两相混合物中的流动状态主要为[1］．在三相接触点处，固体表面与液滴表面相切的夹角(润湿角)是接触线的基本宏观特征。这个角度由杨氏方程决定[2，这是由于液-气、固表面-气、固表面-液三种表面张力的机械平衡的结果。在文献中，重点关注了液滴在固体表面扩散的各个方面的研究。只有少数研究[2- - - - - -8在不同重力水平的条件下进行。对这些论文的分析表明，对重力变化条件下固体表面液滴的蒸发润湿过程缺乏认识。液滴对固体表面的润湿和三相接触线气-液-固过程对液滴蒸发有重要影响。由于对三相接触线性质的认识不足，目前阻碍了液滴在固体表面蒸发数学模型的发展。另一方面，固体表面上的液滴是研究三相接触线的润湿扩散现象和性质最简单、最方便的对象。特别是液滴在三相接触线上的蒸发过程可以进行研究。这篇文章的作者与来自欧洲、加拿大、中国和日本的研究小组一起，是国际空间站上“下降蒸发”实验的准备成员。

动态三相壁面-汽液接触线附近的传输过程属于尚未完全解决的重要物理问题之一。由于对三相接触线区域的传递过程了解不足，阻碍了一些现象的模型的发展，如沸腾、空化、液滴冷凝、河流流动、液膜破裂、液滴扩散和蒸发[9- - - - - -11］．在这个长度约为几微米的区域，通常被称为微区，液体厚度从1-3减小μM ~ 10-20 nm(吸附膜)。微区气液界面显著曲率，厚度变化2-3个数量级，非平衡效应(界面温度下降)，范德华力的影响，衬底的结构给这种结构的实验和理论研究带来了相当大的困难。

在电力工程、医药、化学、制药和食品工业的重要实际应用中，积极研究确定三相接触线区域中被加热液体的蒸发速率和热流密度的问题[12- - - - - -14］．理论和实验研究均证明，接触线区域的传热强度可以比平均传热强度高出一个数量级以上，并使沿固体壁的温度分布出现局部最小[15，16］．但是，由于不可能对微区(其长度估计在0.5至10-20之间)的热通量进行直接测量μM)，采用了各种间接方法和数值方法。在Ibrahem等人[17， HFE7100液体的半月板在两个加热的垂直金属箔之间蒸发。利用分辨率为14.8微米的红外扫描仪得到的沿薄膜外边缘的二维温度分布，计算了蒸发半月板的局部热流。结果表明，接触线区域的局部热流密度是地表平均热流密度的5.4-6.5倍。

在本研究中，使用固着滴结构研究接触线附近的蒸发。有大量关于蒸发无柄液滴的文献[9，11，16］．然而，在液滴实验中使用金属箔作为加热器并不常见，尽管事实是，这种配置有潜力提供精确测量液滴下的温度场，从而提供了一个工具，以前所未有的精度研究三线运动和热传导在衬底的局部耦合。我们认为，这种潜力尚未得到充分发挥。例如，Sodtke等人[16]使用薄金属箔加热器，但依赖热致变色液晶(TLCs)来测量温度。薄层色谱的问题是精度有限，在相对狭窄的温度范围之外缺乏适用性。本研究的目的就是利用红外成像技术来克服这些困难。目前关于液滴的文献的另一个局限性是，绝大多数的理论和实验研究都集中在孤立的液滴上，而在应用中，人们经常遇到大阵列的液滴。液滴相互作用的问题仍然知之甚少，并将在本研究中进行讨论。

2.材料和方法

2．1．实验

利用图中所示的设置，对水平加热基底上的蒸发固着水滴进行了实验研究1．铜箔(CuNi)的厚度为25μM，尺寸42 × 35毫米²（)和导热性以23 W/mK为底物。基片采用焦耳加热。在实验中，加热功率从0.25 W到2.5 W不等。利用光学阴影系统获得了分辨率为8的水滴轮廓图像μ米/ px。利用Young-Laplace方法确定液滴的几何参数;实验结果如下:体积为5.1-39.3μL，基底直径(湿斑)3.68-7.19 mm，高度0.88-1.81 mm，接触角50-75°，平均角度63°。采用钛570M红外相机对底箔表面温度进行了测量。记录频率为25 Hz，分辨率为640 × 512像素(108μM /px)，积分时间为805 ms。当使用红外相机时，为了增加最小的可分辨温差，箔的背面被涂上一层烟灰。实验测得的箔表面温度在29-86℃范围内。铝箔表面到周围空气的平均传热系数在16-20 W/m²如图所示2．这些测量是在铝箔表面没有液滴的情况下进行的。

2．2.理论和计算

为了准确描述固着液滴蒸发过程中接触线附近的传热强度，将Cauchy问题转化为椭圆方程描述箔中的热传导(即由方程定义的区域)，,)．在这里为铝箔的温度，导热系数(恒定)和是定容热源。在铝箔的底部设置温度和热流密度为侧壁假设是绝热的:

拉普拉斯方程或一般形式的椭圆方程的Cauchy问题是最古老的不适定问题之一[18- - - - - -22］．它的解是不稳定的:柯西数据的微小变化可能导致解的显著变化。如果有界解的存在，则有可能证明问题的条件稳定性[20.］．椭圆型方程柯西问题数值解的方法有许多不同的实现(参见，例如，[21- - - - - -25])。当应用任何数值方法求解柯西问题时，其解的不稳定性就变得很明显。在本文中，我们使用了将Cauchy问题的解简化为矩问题的解的方法[24，25］．通过对共轭问题中边界条件的特殊选择，将测量不可达的边界处热流数值的计算简化为相应级数的和。域的简单形式允许使用傅里叶正变换和反变换来解决矩问题。由于柯西问题的不稳定性，正则化过程被用来求和傅里叶反变换的级数。将解的实现方法应用于实验数据处理。

3.结果与讨论

利用上述方法求解柯西问题，通过热像测量，得到了从箔下降侧到箔表面的热流密度分布。初始测得的温度场、计算得到的衬底热流密度分布以及局部热流密度沿水滴中心横截面线的分布如图所示3.．拖放配置文件也显示在那里。结果表明，热流密度最大值在接触线区域，超过整个箔表面平均热流密度的5-7倍。被一滴浸湿的区域的平均热流密度超过整个箔表面的平均热流密度的3-5倍。这可以解释为，由于箔材料的相对高的导热系数和接触线区域的高蒸发率，热从箔外围流到滴。不考虑箔片释放热量的再分配的局部热流密度分布计算(第2行)也如图所示3.．可以看出，忽略衬底热导率会大大低估热流密度，并且在接触线区域没有峰值。数据显示了两种不同大小的液滴在本质上不同的平均热流密度。可以看出，接触线区最大热流密度与平均热流密度之比随液滴尺寸减小而增大;它等于图中的3.73(一个)图为4.83 (b)．

(一)

(b)

先前的结果表明，从箔的干燥部分到液滴的热流在整体传热中起着重要的作用，这表明两个或更多液滴的蒸发速率可能与单个液滴的预测值有显著不同。测量和计算的结果为两个固定的滴在衬底上如图所示4；这些液滴之间的距离是1.1毫米。对于每一个液滴对称条件都被打破了。在液滴之间的接触线区域，我们没有观察到热通量密度的最大值，因为从外围流入的热，现在在两个液滴之间分裂，随着每一个液滴减少。热流密度最大值出现在两滴系统外缘接触线附近;液滴越小，最大值越高。

液滴在加热的基底上随时间蒸发。蒸发率可以通过热通量密度的可用数据来评估: 在这里,为计算得到的基片上的热流密度，是跌落面与水平基底的倾斜角，和为水滴表面的对流热流: 它可以通过，假设液滴表面的温度与下面基材的温度略有不同，则为下箔表面的热流;．此时，应考虑液滴表面面积与基体面积的差异: 我们获得局部蒸发速率可计算为在哪里为蒸发潜热。不同直径液滴的蒸发热流密度和蒸发速率如图所示5．从图中可以看出，接触线附近的蒸发速率有一个局部最大值，但不像衬底上的热流密度那么明显3.和4．

4.结论

我们已经表明，最大的热流密度是在接触线区域，它超过平均热流密度在整个箔表面的5-7倍。在双液滴系统中，热流密度最大值在接触线附近达到;液滴越小，最大值越高。这可以解释为，由于箔材料的相对高的导热系数和接触线区域的高蒸发率，热从箔外围流到滴。利用红外数据进行热流计算的可能性为三相接触线的实验研究提供了有趣的方法。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

承认

这项研究得到了俄罗斯科学基金会的资助(项目编号:14-39-00003)。

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