正戊醇溶液液滴蒸發(fā)特性研究

劉楷釗，朱明漢，侯文惠，胡艷鑫, ，黃金

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州，510006；2.華南師大(清遠(yuǎn))科技創(chuàng)新研究院有限公司，廣東 清遠(yuǎn)，511517)

中國提出2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)必將會(huì)帶來能源供需結(jié)構(gòu)的深刻變革。在以可持續(xù)方式滿足全球能源需求日益增長的眾多挑戰(zhàn)中，改善相變傳熱一直處于工程研究的前沿[1]。學(xué)者們對相變傳熱進(jìn)行了廣泛研究，以期進(jìn)一步強(qiáng)化其換熱能力，其中包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面處理、工質(zhì)開發(fā)與改良等[2-4]。而工質(zhì)的研發(fā)是最直接、有效的方式[5]，一直是研究的重點(diǎn)。

在各種工質(zhì)中，自濕潤流體因其特殊的表面張力特性，具有自發(fā)潤濕高溫端的優(yōu)點(diǎn)，而被學(xué)者應(yīng)用于強(qiáng)化傳熱研究領(lǐng)域。VOCHDEN等[6]發(fā)現(xiàn)高碳醇稀水溶液(碳原子數(shù)≥4)在一定溫度界限內(nèi)，表面張力與溫度呈負(fù)相關(guān)，且存在最小值，當(dāng)溫度超過該表面張力最小值界限時(shí)，表面張力與溫度變?yōu)檎嚓P(guān)。SLAVTCHEV等[7-8]也進(jìn)行研究，證實(shí)了這種不同于常規(guī)流體的表面張力隨溫度增大而單調(diào)遞減的性質(zhì)。近些年，研究人員對這種二元流體進(jìn)行了研究，并提出將其作為先進(jìn)傳熱技術(shù)的新型工質(zhì)[9]。

LI等[10]進(jìn)行了自濕潤流體微通道流動(dòng)沸騰中氣泡生長與合并的數(shù)值研究，結(jié)果表明自濕潤流體的傳熱強(qiáng)化效果超過50%。HU等[11]對自濕潤流體在池沸騰傳熱中Marangoni 效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明馬蘭戈尼對流是引起池沸騰強(qiáng)化傳熱的關(guān)鍵因素。秦秋楊[12]將正庚醇水溶液和正戊醇水溶液應(yīng)用到熱管中，性能都得到了顯著增強(qiáng)?？梢?，自濕潤流體在相變傳熱過程中具有良好的潤濕特性，可作為高效傳熱工質(zhì)推廣至更多的應(yīng)用領(lǐng)域，例如在蒸發(fā)傳熱領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的研究主要集中在沸騰傳熱過程，其相變現(xiàn)象均為極其劇烈的汽化過程，難以表征相對緩和的蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，未能為自濕潤流體在蒸發(fā)傳熱領(lǐng)域中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

綜上所述，目前仍缺乏自濕潤流體蒸發(fā)特性的相關(guān)研究，其蒸發(fā)傳熱機(jī)理尚不明晰，因此，有必要對自濕潤流體的蒸發(fā)過程的熱質(zhì)傳遞機(jī)理進(jìn)行探究。為促進(jìn)自濕潤流體在蒸發(fā)領(lǐng)域的有效應(yīng)用，本文作者以具有自濕潤特性且能顯著改善熱管性能的正戊醇溶液作為研究對象，通過可視化實(shí)驗(yàn)，對比研究去離子水和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的正戊醇溶液的液滴在不同加熱功率表面上的蒸發(fā)行為，重點(diǎn)研究加熱功率、正戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對液滴形貌和蒸發(fā)時(shí)間的影響。以期明晰自濕潤流體液滴的蒸發(fā)機(jī)理，并得出自濕潤流體液滴蒸發(fā)過程中潤濕直徑、接觸角和高度等參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，以及液滴組分、基底等因素對蒸發(fā)過程的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 液滴蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 所示為加熱面上液滴蒸發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，主要包括高速攝影儀、加熱基底、微量進(jìn)樣器和LED 光源等部分[13]?；撞捎糜纱趴貫R射方法沉積二氧化硅和氧化銦錫薄膜加工制成的導(dǎo)電玻璃，長×寬為3 cm×3 cm?；咨媳砻媸枪饣挠H水表面，兩側(cè)連接直流電源，采用不同功率可進(jìn)行精確的定功率加熱，誤差較小。進(jìn)樣器采用10 μL量程的微量液相進(jìn)樣器，針管外徑為0.71 mm，用以產(chǎn)生液滴。高速攝影儀與基底保持同一水平高度，同時(shí)配備了微距鏡頭，以實(shí)現(xiàn)對尺寸微小的液滴形態(tài)進(jìn)行拍攝。在高速攝影儀正前方設(shè)置可調(diào)節(jié)亮度的光源(光源外設(shè)置散光板，使光線適當(dāng)，防止過度曝光)用于輔助微距鏡頭，以拍攝到清晰的圖像。實(shí)驗(yàn)采集到的圖像采用Image J 軟件進(jìn)行處理。

圖1 加熱平面上液滴蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup for droplet evaporation on a heating plane

1.2 實(shí)驗(yàn)操作方法

本實(shí)驗(yàn)采用溶液為去離子水以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，1.0%，1.5%的正戊醇溶液。正戊醇溶液采用天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的正戊醇，先以電子微量天平分別稱量不同質(zhì)量，再加入相應(yīng)質(zhì)量的去離子水配置不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的正戊醇溶液。并將溶液置于超聲振蕩儀器中(GT SONIC-D 系列)，在室溫條件下進(jìn)行20 min 的超聲波振蕩，以保證正戊醇溶解均勻。

實(shí)驗(yàn)前對各裝置位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得光源、基底表面、高速攝影儀鏡頭在同一水平上且距離適合，并調(diào)節(jié)高速攝影儀鏡頭，使得成像清晰。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為(24±0.5) ℃，濕度為(44±2)%。實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)直流電源器，分別對基底提供0.5，1.0和1.5 W 的加熱功率，熱流密度分別為555.56，1 111.11和1 666.67 W/m2，而對應(yīng)的基底表面溫度分別為(40±0.5)，(54±0.5)和(69±0.5) ℃。采用“座滴法”[14]，以微量進(jìn)樣器毛細(xì)管尖的液滴觸碰基底，并在基底表面產(chǎn)生液滴，體積為6 μL。采用高速攝影儀對蒸發(fā)過程的液滴側(cè)面形貌進(jìn)行拍攝，采用圖像儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)中。每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2組平行實(shí)驗(yàn)，最后取數(shù)據(jù)的平均值，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與不確定度分析

通過Image J 軟件，對儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中的實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行處理，得到蒸發(fā)過程中不同時(shí)刻的液滴潤濕直徑、液滴接觸角、液滴高度。在測量長度時(shí)，采用微量進(jìn)樣器外徑的像素點(diǎn)長度與其實(shí)際尺寸之比作為比例尺，再測量液滴的像素點(diǎn)長度，與之對比則可測出相應(yīng)的實(shí)際數(shù)值。

本實(shí)驗(yàn)不確定性主要來自4個(gè)方面：室內(nèi)環(huán)境變化導(dǎo)致的環(huán)境誤差、配置所需溶液中的測量誤差、基底加熱功率引起的誤差、使用圖像處理軟件進(jìn)行測量產(chǎn)生的誤差。其中接觸角不確定度為±1.0°，是通過ImageJ 軟件測量所致。其他不確定度通過MOFFAT[15-16]提出的誤差分析方法進(jìn)行計(jì)算：

式中：δR為計(jì)算參數(shù)R的不確定度；xi為影響計(jì)算參數(shù)R的獨(dú)立因變量xi所對應(yīng)的不確定度；n為影響計(jì)算參數(shù)R的獨(dú)立因變量的數(shù)目。

經(jīng)計(jì)算，得到實(shí)驗(yàn)環(huán)境對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的不確定度為2.50%，溶液配制對實(shí)驗(yàn)試劑造成的不確定度為2.01%，加熱功率對結(jié)果造成的不確定度為1.20%，測量過程中對液滴潤濕直徑造成的不確定度為0.82%，對液滴高度造成的不確定度為0.91%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 液滴形貌及變化

液滴在光滑的理想表面上蒸發(fā)時(shí)，通常有3種蒸發(fā)模式，分別為常接觸角(接觸角在蒸發(fā)過程中保持不變，而接觸線不斷向內(nèi)收縮)模式，常接觸半徑(接觸線在蒸發(fā)過程中保持不變，但接觸角不斷變化)模式以及混合模式(接觸角和接觸線同時(shí)變化)[17]。當(dāng)液滴在固體表面達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，接觸角與表面張力的關(guān)系可用Young 方程表示[18]：

式中：θ為液滴的平衡接觸角；γsν為固氣界面的界面張力；γsl為固液界面的界面張力；γlν為氣液界面的界面張力。

圖2所示為實(shí)驗(yàn)所測得的光滑基底表面上不同液滴的靜態(tài)接觸角。從圖2 可知：去離子水液滴、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，1.0%和1.5%的正戊醇溶液液滴的初始接觸角分別為(81.1±0.1)°，(61.1±0.1)°，(57.2±0.1)°和(49.1±0.1)°。根據(jù)式(2)可知：隨著表面張力增大，初始平衡接觸角增大，由此可說明正戊醇水溶液的表面張力比去離子水的小，這與文獻(xiàn)[19]中的結(jié)果相符。根據(jù)VOCHTEN等[19]的研究，正戊醇溶液在40，54 和69 ℃這3 個(gè)溫度下的表面張力分別為35.80，34.97和35.11 mN/m，均小于對應(yīng)溫度下水的表面張力。

圖2 光滑玻璃表面上不同液滴的靜態(tài)接觸角Fig.2 Static contact angles of different droplets on a smooth glass surface

圖3 所示為0.5 W 加熱功率下在不同量綱一時(shí)間下光滑玻璃表面上不同液滴的形態(tài)。液滴在基底表面產(chǎn)生到消失的時(shí)間為蒸發(fā)總時(shí)長，則量綱一時(shí)間為蒸發(fā)開始到某一時(shí)刻的時(shí)間與蒸發(fā)總時(shí)長之比。正戊醇溶液液滴在初始時(shí)刻呈現(xiàn)扁平的球帽形，在蒸發(fā)過程中形狀逐漸變扁，其高度和接觸角都逐漸變小，底部的潤濕直徑基本不變，直到蒸發(fā)后期，液滴的高度和接觸角增大而直徑減小，三相接觸線發(fā)生收縮，最后液滴消失，蒸發(fā)完成。

圖3 0.5 W加熱功率下去離子水和正戊醇溶液液滴的形態(tài)演化比較Fig.3 Comparison of morphological evolution of droplets in deionized water and n-amyl alcohol solutions under 0.5 W heating power

通過計(jì)算不同液滴的蒸發(fā)總時(shí)長，得到圖4所示的不同加熱功率下去離子水與正戊醇溶液液滴蒸發(fā)時(shí)間的變化。其中正戊醇溶液液滴的蒸發(fā)時(shí)間明顯比去離子水液滴的短，且正戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，蒸發(fā)時(shí)間越短，即蒸發(fā)速率越快。而液滴蒸發(fā)時(shí)間也隨著加熱功率增加而減少。蒸發(fā)速率最快的為1.5 W 加熱功率下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的正戊醇溶液液滴，這比相同加熱功率下的去離子水液滴節(jié)省了34.3%的蒸發(fā)時(shí)間。在低加熱功率和高加熱功率下，正戊醇溶液液滴都表現(xiàn)出更好的蒸發(fā)特性。這是因?yàn)檎齑既芤阂旱蝺?nèi)部由于溫度和濃度變化引起梯度效應(yīng)，造成內(nèi)部形成Marangoni流動(dòng)，該流動(dòng)促進(jìn)了內(nèi)部流體的對流換熱，因此進(jìn)一步促進(jìn)了液滴的蒸發(fā)[20]。如圖5 所示。而Marangoni 流在純液滴中不存在或非常弱，或只存在于非常小的液滴中[20]，正因如此，正戊醇溶液液滴相比去離子水液滴具有更好的換熱效果和更快的蒸發(fā)速率。因此，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的正戊醇溶液液滴換熱效果最好，其蒸發(fā)速率最快。

圖4 不同加熱功率下去離子水與正戊醇溶液液滴蒸發(fā)時(shí)間的變化Fig.4 Variation of droplet evaporation time of deionized water and n-amyl alcohol solution with different heating powers

圖5 正戊醇溶液液滴內(nèi)部Marangoni流動(dòng)Fig.5 Marangoni flow inside a droplet of n-amyl alcohol solution

此外，在實(shí)驗(yàn)中觀察到，不同液滴在蒸發(fā)過程中三相接觸線發(fā)生向內(nèi)收縮的時(shí)間不同。在相同的加熱功率下，正戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，液滴的三相接觸線越早發(fā)生向內(nèi)遷移。這說明與去離子水液滴的三相接觸線幾乎保持固定相比，加入正戊醇后使得液滴的三相接觸線更容易發(fā)生遷移。這是因?yàn)?，相比于去離子水，正戊醇溶液的表面張力變小，因此，液滴初始接觸角小、接觸面積大，液滴吸收熱量較大，促進(jìn)了蒸發(fā)，液滴內(nèi)部組分變化的程度較大，在正戊醇溶液液滴中水的作用逐漸增強(qiáng)，表面張力增強(qiáng)，而初始接觸角越小說明初始表面張力越小，越容易受表面張力影響而發(fā)生改變，從而更快出現(xiàn)三相接觸線收縮現(xiàn)象。

2.2 液滴的潤濕直徑及變化

對不同加熱功率下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)正戊醇溶液液滴的蒸發(fā)圖像進(jìn)行測量，得到液滴潤濕直徑隨時(shí)間變化的曲線，如圖6 所示。從圖6 可以看出：不同溶液液滴的初始潤濕直徑不同，去離子水液滴的潤濕直徑最小。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的正戊醇溶液液滴初始潤濕直徑均比去離子水液滴的大，且溶液中正戊醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，潤濕直徑越大，可見加入正戊醇提高了液滴的潤濕性能，液滴鋪展得更大。因此，液滴與基底的換熱面積更大，換熱效果更好。

圖6 不同加熱功率下去離子水與正戊醇溶液液滴潤濕直徑的變化Fig.6 Variation of wetting diameter of droplets of deionized water and n-amyl alcohol solutions with different heating powers

正戊醇溶液液滴和去離子水液滴的潤濕直徑變化可分為2個(gè)階段。潤濕直徑在第一階段保持恒定值，在第二階段逐漸減小，直至為零。不同溶液類型的液滴在第二階段的出現(xiàn)順序有所不同，其中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的正戊醇溶液在第二階段最先出現(xiàn)，即潤濕直徑最先減小。隨后依次是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%和0.5%的正戊醇溶液，而去離子水出現(xiàn)的時(shí)間最晚，保持恒定潤濕直徑直到蒸發(fā)后期。通過測量不同液滴潤濕直徑減小的時(shí)間，得到液滴保持恒潤濕直徑的時(shí)長占蒸發(fā)總時(shí)長的比例如表1所示。從表1可知：液滴保持恒定潤濕直徑的時(shí)間所占比例與液滴組分和加熱功率有關(guān)。在蒸發(fā)的早期階段發(fā)生潤濕直徑收縮的原因是：蒸發(fā)引起了液滴內(nèi)部組分的變化，而正戊醇相對水更易揮發(fā)，但其表面張力小。表面張力較小而揮發(fā)性較大的組分蒸發(fā)，使得接觸線附近的混合物局部表面張力增加[21]，表面張力的改變使液滴有一個(gè)整體向內(nèi)收縮的趨勢，進(jìn)而液滴接觸線向內(nèi)滑移。因此，潤濕直徑收縮突變較快出現(xiàn)。而且由于三相接觸線收縮現(xiàn)象發(fā)生得較早，液滴體積仍然較大，潤濕直徑減小幅度較為平緩。而當(dāng)三相接觸線在后期收縮時(shí)，由于液滴整體體積變小，液滴快速收縮，潤濕直徑的變化幅度較大。

表1 液滴保持恒潤濕直徑的時(shí)間所占比例Table 1 Proportion of time to maintain constant wetting diameter title

在不同加熱功率下溶液在蒸發(fā)過程中具有不同的蒸發(fā)特性。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的正戊醇溶液為例，在0.5 W和1.0 W加熱功率下，1.5%的正戊醇溶液液滴保持恒潤濕直徑的時(shí)間所占比例分別為0.346和0.368，接觸線滑移能力顯著增強(qiáng)。但在1.5 W加熱功率下該比例為0.791。這是因?yàn)楫?dāng)加熱功率較大時(shí)，基底熱流密度較大，此時(shí)，正戊醇與水的揮發(fā)能力沒有較大差別[20]。由此可見，正戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大在一定程度上可以使得液滴的滑移能力增強(qiáng)，縮短恒潤濕直徑的時(shí)間所占的比例。這種特性可應(yīng)用在一些蒸發(fā)應(yīng)用場合，例如噴霧冷卻中，用于增加內(nèi)部擾動(dòng)，強(qiáng)化Marangoni流動(dòng)，從而增強(qiáng)換熱。

2.3 液滴高度與接觸角

蒸發(fā)過程中液滴幾何形狀的演化對理論建模和數(shù)值模擬非常重要，除了潤濕直徑外，液滴接觸角與高度也是其中的重要的參數(shù)[22]，可用于表征表面的潤濕程度。對于同一體積的液滴，液滴高度與接觸角越小，表示液滴在表面鋪展得越開，表面潤濕程度越好，液滴在這種情況下的換熱效果亦越好。為此，對液滴在蒸發(fā)過程中的高度及接觸角變化規(guī)律進(jìn)行研究。

液滴高度變化如圖7所示。從圖7可見：去離子水液滴在該表面上的初始高度約為1.4 mm，而正戊醇溶液液滴的初始高度則小于去離子水液滴的初始高度。隨著正戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，液滴初始高度減小。由圖7還可見：正戊醇溶液液滴與去離子水液滴的高度均隨著蒸發(fā)時(shí)間的進(jìn)行逐漸減小，直到蒸發(fā)后期突變，驟增之后又繼續(xù)減小至零。

圖7 0.5 W加熱功率下液滴高度的變化Fig.7 Variation of droplet height under 0.5 W heating power

液滴接觸角隨時(shí)間變化如圖8所示。從圖8可見：ITO玻璃表面顯然為親水表面，去離子水液滴在其表面的初始靜態(tài)接觸角約為80°。而正戊醇溶液液滴的接觸角小于去離子水液滴的接觸角，且正戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，初始接觸角越小。在蒸發(fā)過程中，正戊醇溶液液滴接觸角隨時(shí)間逐漸減小，且在大部分時(shí)間內(nèi)接近線性變化，直到蒸發(fā)末期，液滴接觸角驟增，隨后又快速減小至零，如圖8中的紅線所示。后期接觸角驟增的原因是在蒸發(fā)后期，液滴三相接觸線向內(nèi)遷移，液滴整體收縮，在瞬時(shí)的液滴體積不變而潤濕直徑變小，造成液滴形貌向上凸起，因此，接觸角變大，液滴高度也同時(shí)增大。去離子水液滴在蒸發(fā)過程中的接觸角變化規(guī)律與上述基本相同，但其接觸角始終比正戊醇溶液液滴的大。

圖8 0.5 W加熱功率下液滴接觸角的變化Fig.8 Variation of droplet contact angle under 0.5 W heating power

此外，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%正戊醇溶液液滴在 0.5 W加熱功率時(shí)，角度變化斜率相對較小。這是因?yàn)槠浠颇芰^強(qiáng)，三相接觸線線在早期即發(fā)生收縮，液滴接觸角也在早期發(fā)生突增，隨后潤濕直徑減小，接觸角也變小，而瞬時(shí)的液滴體積不變且潤濕直徑變小造成液滴形貌向上凸起，由此減緩了液滴接觸角減小的幅度。而在蒸發(fā)末期，三相線快速收縮，此時(shí)液滴體積較小，潤濕直徑驟減，而接觸角驟增，隨后，潤濕直徑與接觸角均快速減小至零。在這期間由于液滴體積較小，潤濕直徑和接觸角的變化幅度較明顯。

結(jié)合圖6中潤濕直徑的變化曲線可知，圖8中接觸角突變后下降階段所對應(yīng)的潤濕直徑同時(shí)減小，因此，該階段屬于混合階段[17]，即潤濕直徑和接觸角同時(shí)減小。由此可見，液滴在蒸發(fā)過程，前期潤濕直徑保持不變而接觸角減小，即進(jìn)入恒潤濕直徑模式階段。直到三相線驟縮、液滴接觸角驟增的突變點(diǎn)之后，液滴的潤濕直徑和接觸角同時(shí)減小，即進(jìn)入混合模式階段。而在正戊醇濃度較高且加熱功率較低時(shí)，液滴三相線會(huì)在蒸發(fā)前期開始發(fā)生小幅度滑移。此外，在本次實(shí)驗(yàn)中未出現(xiàn)恒接觸角模式[23]。

2.4 液滴蒸發(fā)速率

由上述分析可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%正戊醇溶液液滴在0.5 W 和1.0 W 加熱功率時(shí)，接觸線滑移能力較強(qiáng)。為進(jìn)一步研究其對液滴蒸發(fā)速率的影響，通過式(3)計(jì)算液滴的瞬時(shí)體積，進(jìn)而得到不同加熱功率下不同液滴體積隨量綱一時(shí)間的變化趨勢，如圖9所示。

圖9 不同加熱功率下去離子水與正戊醇溶液液滴體積的變化Fig.9 Variation of droplet volume of deionized water and n-amyl alcohol solution with different heating powers

液滴的瞬時(shí)體積為[24]

式中：V為液滴的瞬時(shí)體積；d和θ分別為瞬時(shí)潤濕直徑和瞬時(shí)接觸角。根據(jù)液滴的潤濕直徑和接觸角，可以計(jì)算得到液滴的體積。

正戊醇溶液及去離子水液滴在蒸發(fā)過程中，體積均逐漸減小，與量綱一時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。液滴體積基本隨時(shí)間單調(diào)變化，但在最后的混合蒸發(fā)階段，液滴體積曲線變化較為平緩，其原因是這時(shí)液滴收縮，與基底表面的換熱面積減小，吸熱量減小，因此，蒸發(fā)速率下降。在0.5 W 和1.0 W加熱功率下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的正戊醇溶液液滴由于其保持恒潤濕直徑的時(shí)間比例較小，液滴體積下降曲線在早期接觸線收縮時(shí)會(huì)出現(xiàn)減緩趨勢，這與0.5 W 加熱功率下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的正戊醇溶液液滴的體積下降曲線變化趨勢相似。

3 結(jié)論

1) 正戊醇溶液液滴在加熱表面的蒸發(fā)行為受到自身組分及基底表面加熱功率的影響。加熱功率越大，總蒸發(fā)時(shí)長越小，蒸發(fā)速率越快。蒸發(fā)速率最快的為1.5 W 加熱功率下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的正戊醇溶液液滴，相比同加熱功率下的去離子水液滴節(jié)省了34.3%的蒸發(fā)時(shí)間。在低加熱功率和高加熱功率下，正戊醇溶液液滴都表現(xiàn)出更好的蒸發(fā)特性。

2) 正戊醇溶液液滴的潤濕直徑變化可分為2個(gè)階段，潤濕直徑在第一階段保持恒定值，在第二階段逐漸減小，直至為零。在0.5 W 和1.0 W 加熱功率下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的正戊醇溶液液滴保持恒潤濕直徑的時(shí)間所占比例分別為0.346 和0.368，接觸線滑移能力顯著增強(qiáng)。這種特性可應(yīng)用在蒸發(fā)應(yīng)用場合中，增加內(nèi)部擾動(dòng)，強(qiáng)化Marangoni流動(dòng)，從而增強(qiáng)換熱。

3) 正戊醇溶液液滴的蒸發(fā)模式包括恒潤濕直徑模式和混合模式，以恒潤濕直徑模式為主，在蒸發(fā)后期出現(xiàn)接觸角與潤濕直徑同時(shí)減小的混合模式。正戊醇溶液液滴的液滴接觸角較小，潤濕直徑較大，增強(qiáng)了傳熱效果，平均蒸發(fā)速率較快，且正戊醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，效果越明顯。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的正戊醇溶液蒸發(fā)速率和滑移能力最強(qiáng)，適用于蒸發(fā)冷卻。