基于穩(wěn)定氣流法對(duì)萊氏現(xiàn)象的探究

呂承昊 呂鈞霆 劉世元

(山東省青島第二中學(xué)，山東 青島 266100)

1 概述

1756年，萊頓弗羅斯特(Leidenfrost)在紅熱的金屬湯匙上滴下一滴水，水珠在湯匙上懸浮了近30秒鐘，而沒(méi)有蒸發(fā)。萊頓弗羅斯特對(duì)這種現(xiàn)象非常感興趣，并進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)水滴可以懸浮的原因是：與熱鐵勺接觸后，水滴的底部立即形成一層水蒸氣，這層水蒸氣可以將水與鐵勺分離，因此可以使水滴懸浮，懸浮的水滴暫時(shí)不能吸收更多的能量，蒸發(fā)速度減慢，因此懸浮水滴可能在幾十秒內(nèi)不會(huì)蒸發(fā)，這種現(xiàn)象稱為“萊頓弗羅斯特現(xiàn)象”(簡(jiǎn)稱“萊氏現(xiàn)象”)。

萊頓弗羅斯特現(xiàn)象還可以推廣到除水以外的其他液體，當(dāng)液滴與比其沸點(diǎn)高很多的熱表面接觸時(shí)，在液滴與熱表面之間會(huì)產(chǎn)生一層絕緣的蒸汽層，液滴不直接與熱物體接觸，阻止了液滴快速沸騰，液滴可以在熱物體表面上懸浮。萊頓弗羅斯特現(xiàn)象的示意圖如圖1所示[1]。

圖1 萊頓弗羅斯特現(xiàn)象的示意圖[1]

萊頓弗羅斯特通過(guò)觀察進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，由蒸汽層支撐的在熱表面上的水滴，通過(guò)蒸汽層的傳導(dǎo)和輻射，熱量從熱表面向水滴傳遞，水滴自發(fā)地開始振動(dòng)并緩慢蒸發(fā)，振動(dòng)蒸發(fā)時(shí)會(huì)形成“星形”或“多面形”的形狀。萊頓弗羅斯特星的形狀如圖2所示[2]。

圖2 萊頓弗羅斯特星的形狀[2]

2 基于穩(wěn)定氣流法的萊氏現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在熱條件下，水滴懸浮在蒸汽層上，由于熱效應(yīng)和水的蒸發(fā)等原因，蒸汽層的形態(tài)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制是相當(dāng)復(fù)雜的，另外對(duì)于水滴體積的測(cè)量也存在困難。經(jīng)學(xué)習(xí)研究有關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)在室溫下的均勻上升氣流中的懸浮液滴，在某些情況下，也可以產(chǎn)生振蕩并形成“星形”或“多面形”，這種“星形”或“多面形”與萊頓弗羅斯特星有驚人相似之處[3，4]。為了證明萊氏現(xiàn)象與熱效應(yīng)無(wú)關(guān)，而與液滴的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制有關(guān)，本研究設(shè)想用氣流模擬液滴下方的蒸汽層，使復(fù)雜的不易把握的熱效應(yīng)，簡(jiǎn)化為基于流體動(dòng)力學(xué)和自由表面動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)萊頓弗羅斯特現(xiàn)象，使實(shí)驗(yàn)成為一個(gè)純粹的力學(xué)研究。

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

鼓風(fēng)機(jī)(功率535W)，高速攝像機(jī)(5000fps)，吸管束，實(shí)驗(yàn)水臺(tái)(帶有疏水金屬網(wǎng))，風(fēng)速儀，帶刻度的注射器(量程5mL)等設(shè)施。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 穩(wěn)定氣流法萊氏現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

在實(shí)驗(yàn)中，將鼓風(fēng)機(jī)固定好，鼓風(fēng)機(jī)口朝上對(duì)準(zhǔn)吸管束，吸管束與疏水金屬網(wǎng)緊密連接，吸管束具有穩(wěn)流消湍的作用。水臺(tái)底部鋪有疏水金屬網(wǎng)，以避免液滴吸附在網(wǎng)格上。調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生一定流速的氣流，控制氣流通過(guò)吸管束流出。高速攝像機(jī)用來(lái)記錄液滴的振蕩情況。

實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)水臺(tái)上滴下液滴，保持氣流經(jīng)吸管束，在液滴下部形成氣墊。只要保持氣流均勻穩(wěn)定，流速大小合適，氣墊可以出現(xiàn)并支撐液滴，使液滴懸浮振蕩，實(shí)現(xiàn)“萊頓弗羅斯特現(xiàn)象”。對(duì)于固定體積(V)的液滴，其出現(xiàn)星形振蕩的最小風(fēng)速(Q)，稱其為流速閾值，可借助高速攝像機(jī)和風(fēng)速儀準(zhǔn)確地測(cè)量此閾值。

2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在實(shí)驗(yàn)中，采用固定氣流流速，改變液滴體積大小的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量閾值。觀察到的現(xiàn)象如圖4所示。

當(dāng)氣流流速為零時(shí)，液滴呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4(a)所示。這種情況下，由于疏水金屬網(wǎng)的作用，液滴的接觸角一般大于 90°。

當(dāng)流速逐漸增大時(shí)，液滴開始呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的振蕩，如圖4(b)所示。

當(dāng)保持流速恒定，改變液滴體積大小，產(chǎn)生振蕩并形成不同角數(shù)的“星形”時(shí)，如圖4(d)～圖4(f)。

如果流速過(guò)大或液滴的體積過(guò)大，觀察到液滴破裂的現(xiàn)象(煙囪現(xiàn)象)[5]，液滴中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氣泡，導(dǎo)致液滴破裂，如圖4(c)所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)觀察的液滴形狀

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)星形振蕩的角數(shù)只與液滴體積呈正相關(guān)的關(guān)系，與液滴的材料和流速無(wú)關(guān)。

為了研究液滴體積與流速閾值之間的關(guān)系，本研究采用了幾組不同體積液滴，來(lái)探究其對(duì)應(yīng)關(guān)系。

首先，使用水滴來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變水滴體積大小和氣流流速，觀察水滴開始振蕩的時(shí)刻，記錄水滴振蕩的閾值；然后使用一定濃度的乙二醇溶液(液滴的黏滯系數(shù)較大)，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1。

表1 水和乙二醇溶液的液滴體積和氣流流速值

通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定液滴振蕩的閾值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖5中深色菱形塊表示液滴體積和氣流流速的關(guān)系，淺色方塊表示乙二醇溶液體積和氣流流速的關(guān)系。從圖中可以看出，液滴體積越大，對(duì)應(yīng)的流速閾值越小。左上角的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，是出現(xiàn)星形振蕩的最大值風(fēng)速，因?yàn)檫^(guò)大的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致液滴不穩(wěn)定，容易破裂，不能形成星形振蕩；右下角的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是液滴體積的最大值，因?yàn)檫^(guò)大的體積會(huì)使液滴難以形成振蕩，并且不穩(wěn)定。

圖5 水和乙二醇溶液的液滴體積大小和氣流流速的關(guān)系

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改變液滴的黏滯系數(shù)會(huì)導(dǎo)致流速閾值增大，然后進(jìn)行了另外一組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中配置了不同濃度的乙二醇溶液(用乙二醇的體積分?jǐn)?shù)表示)，乙二醇的體積分?jǐn)?shù)越大，液體的黏滯系數(shù)越大。當(dāng)液滴的體積為0.75mL時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同濃度乙二醇液滴所對(duì)應(yīng)的流速閾值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流速閾值與液滴的黏滯系數(shù)存在正相關(guān)的關(guān)系。

3 理論與模擬

本研究通過(guò)建立一個(gè)振蕩水滴的理論模型，推導(dǎo)出穩(wěn)定振蕩的理想邊界條件，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬的手段來(lái)證實(shí)氣流條件下實(shí)現(xiàn)萊氏現(xiàn)象的可行性。

3.1 模型構(gòu)建

本研究采用氣液二項(xiàng)耦合的方式來(lái)建模，這種耦合也常被應(yīng)用于模擬類似的氣液交互模型(如圖7)。不可壓縮的液滴被假定為勢(shì)流液滴，液滴下的氣流為黏性氣流，忽略其慣性效應(yīng)。液滴的模型完全被模擬為軸對(duì)稱的，目的是解釋垂直振蕩的出現(xiàn)和其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

圖7 氣液二項(xiàng)耦合模型

該模型描述了一個(gè)在流速穩(wěn)定的氣流作用下懸浮的液滴。觀察發(fā)現(xiàn)，液滴下方會(huì)形成一個(gè)氣囊，并會(huì)周期性地釋放空氣，從而導(dǎo)致液滴的變形。圖7中，虛線箭頭代表的是液滴周圍的擾動(dòng)氣流，將其分為垂直方向和水平方向來(lái)進(jìn)行研究。為了排除基層網(wǎng)格的影響，單純研究氣流對(duì)液滴的懸浮和驅(qū)動(dòng)作用，本研究建立了液滴在完全懸浮狀態(tài)下的理想模型，用于解釋在此實(shí)驗(yàn)中氣流對(duì)液滴的作用原理。

3.2 理論分析

通過(guò)學(xué)習(xí)研究文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)探究，認(rèn)為懸浮是液滴振蕩的必要條件[6]，因此本研究通過(guò)理論分析，證實(shí)液滴可以在穩(wěn)定氣流下懸浮，并得出一種液滴懸浮的條件。

本研究首先討論黏性氣流的影響，設(shè)氣體黏度為Rh。氣體被定義為向上流動(dòng)，具有均勻的氣體流速Ca。徑向氣體以速度u(r，z)在液滴下部流動(dòng)。為了得出軸對(duì)稱潤(rùn)滑近似，本研究從不可壓縮氣流的質(zhì)量守恒開始：

·u= 0

(1)

邊界條件是：

(2)

(3)

(4)

在z=0和z=h的零速度邊界條件下，應(yīng)用該軸對(duì)稱潤(rùn)滑流的斯托克斯方程：

(5)

其中Pg是氣體層中的壓力(當(dāng)管徑一定時(shí)，Pg與和風(fēng)速有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系)。將其合并為

(6)

其中：

(7)

是與半徑有關(guān)的空氣流速。

假設(shè)液滴由不可壓縮和非旋轉(zhuǎn)流體組成，因此可以用勢(shì)流來(lái)描述。整個(gè)液滴表面是自由表面，在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件下，該表面的動(dòng)態(tài)邊界條件是不穩(wěn)定的伯努利方程：

(8)

其中,t是時(shí)間;z是絕對(duì)高度;κ是液滴表面點(diǎn)處的局部曲率。等式左側(cè)描述了液滴的慣性效應(yīng)，Pg是在引入氣流之后在液滴液面上變化的外部壓力。這個(gè)方程描述了液相和氣相之間的平衡狀態(tài)。當(dāng)整個(gè)液體-空氣界面符合這個(gè)方程時(shí)，液滴進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定且完全懸浮的狀態(tài)，不會(huì)與基底碰撞。在此狀態(tài)下，液滴完全在氣流的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行豎直、水平方向上的振動(dòng)，解釋了穩(wěn)定氣流對(duì)液滴的作用原理。

3.3 計(jì)算機(jī)模擬

在實(shí)驗(yàn)中，無(wú)法直接觀察液滴是否與網(wǎng)格存在相互作用，也無(wú)法確定液滴是否能僅在氣流的條件下形成振蕩，因此本研究使用上述模型和理論，去掉網(wǎng)格，僅在氣流下對(duì)液滴進(jìn)行模擬。

本研究使用COMSOL(5.2版)模擬液滴的狀態(tài)，采用“二相流”模型和動(dòng)網(wǎng)格法(如圖8所示)，觀察液滴的運(yùn)動(dòng)。

圖8 (a) 顯示模擬中應(yīng)用的軸對(duì)稱模型，淺色區(qū)域代表液滴(半徑2mm)，深色表示外部空氣； (b) 顯示應(yīng)用于模型的動(dòng)網(wǎng)格的細(xì)節(jié)

本研究先后觀察了在合適的氣流條件下幾滴不同體積的液滴的運(yùn)動(dòng)，試圖達(dá)到穩(wěn)定懸浮的狀態(tài)。而模擬結(jié)果顯示了一致的現(xiàn)象：液滴可以保持一定時(shí)間內(nèi)的懸浮振蕩(如圖9所示)。

這種變形的原因可以通過(guò)COMSOL模擬得到的壓強(qiáng)分布結(jié)果來(lái)說(shuō)明，如圖10所示。

圖10(b)顯示的是頂側(cè)壓強(qiáng)下降，其結(jié)果是水平拉伸；圖10(c)顯示側(cè)面壓強(qiáng)下降，結(jié)果是垂直拉伸，這兩種運(yùn)動(dòng)共同產(chǎn)生了振蕩。本研究認(rèn)為，在氣流條件下實(shí)現(xiàn)萊氏現(xiàn)象是可行的。

圖9 液滴位置變化的圖像(t=0.001s,0.035s,0.074s,0.114s)

圖10 COMSOL模擬得到的液滴的壓強(qiáng)分布

4 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)中，本研究使用穩(wěn)定氣流使液滴懸浮，實(shí)現(xiàn)“萊頓弗羅斯特現(xiàn)象”，觀察到角的個(gè)數(shù)在n=6～11范圍內(nèi)的液滴。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)液滴角數(shù)只與液滴體積正相關(guān)；本研究探究了液滴體積大小、黏滯系數(shù)和流速閾值之間的關(guān)系，得出星形振蕩閾值與液滴體積大小呈負(fù)相關(guān)，與液體黏滯系數(shù)呈正相關(guān)。本研究證實(shí)了星形振蕩現(xiàn)象可以在氣流條件下實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了萊氏現(xiàn)象的產(chǎn)生只依賴于純流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制，與熱效應(yīng)無(wú)關(guān)。