唐修行 陳泓樾 王婧婧 王志軍 臧渡洋?

1) (西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,超常條件材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710129)

2) (西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072)

1 引言

液滴撞擊熱壁面的現(xiàn)象,在內(nèi)燃機(jī)燃燒、噴霧冷卻和噴墨打印等工業(yè)過(guò)程中有廣泛涉及[1?3].撞擊時(shí),固液界面存在劇烈的相互作用.環(huán)境、基底溫度和結(jié)構(gòu)、液滴性質(zhì)和組分,對(duì)液滴撞擊動(dòng)力學(xué)都有重要影響[4?7].研究液滴與熱基底之間的相互作用,闡明撞擊過(guò)程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律,對(duì)實(shí)現(xiàn)有效傳熱具有重要意義.當(dāng)液滴撞擊不同溫度的壁面時(shí),根據(jù)液滴的蒸發(fā)壽命和液滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài),可以發(fā)現(xiàn)4 種不同的蒸發(fā)狀態(tài): 薄膜蒸發(fā)、核沸騰、過(guò)渡沸騰和薄膜沸騰[8?10].常溫下,撞擊液滴在基底表面鋪展,逐漸蒸發(fā),即薄膜蒸發(fā).當(dāng)壁面溫度達(dá)到某一臨界溫度時(shí),固液界面產(chǎn)生氣泡,氣泡爆炸擾動(dòng)液氣界面,并最終使氣液界面破裂,導(dǎo)致微小液滴劇烈飛濺,即核沸騰[8].在更高溫度的壁面上,液滴部分與基底接觸,部分被液滴產(chǎn)生的蒸氣托起,即過(guò)渡沸騰.當(dāng)基底溫度超過(guò)TL(Leidenfrost 溫度)時(shí),液滴被自身產(chǎn)生的蒸氣托起,懸浮在基底上,液滴壽命增加,即薄膜沸騰,這是著名的Leidenfrost效應(yīng)[10].

學(xué)者已對(duì)液滴撞擊熱壁面的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了一定的研究[11,12].Celestini 等[11]發(fā)現(xiàn)在Leidenfrost 液滴蒸發(fā)過(guò)程中,當(dāng)剩余液滴的半徑減小至某一臨界值時(shí),氣膜厚度和寬度相等,潤(rùn)滑近似失效,剩余液滴就會(huì)起跳.Sun 等[12]得出了Leidenfrost 液滴蒸發(fā)的兩個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程,大液滴因?yàn)橐旱蝺?nèi)污染物發(fā)生積聚并降低蒸發(fā)速率,最終爆炸;小液滴在Leidenfrost 現(xiàn)象的最后階段起跳.研究發(fā)現(xiàn),加入表面活性劑可以增強(qiáng)水的沸騰傳熱能力[13?15].Morgan 等[16]使用十二烷基磺酸鈉(SLS)的水溶液進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)表面活性劑通過(guò)降低表面張力提高沸騰傳熱系數(shù).Hetsroni 等[17]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,表面活性劑的加入可以增強(qiáng)沸騰傳熱能力,并且存在最佳的強(qiáng)化傳熱濃度.Sham 等[18]發(fā)現(xiàn),當(dāng)表面張力降低時(shí),氣泡尺寸減小,氣泡數(shù)量增加,這是沸騰傳熱增強(qiáng)的原因.Wang 等[19]證明了表面活性劑增強(qiáng)沸騰傳熱的機(jī)制,即氣泡噴射和氣泡爆炸過(guò)程增強(qiáng)了表面活性劑溶液中的沸騰傳熱,而不是低表面張力.因此,加入表面活性劑,增強(qiáng)沸騰傳熱,可以有效影響液滴撞擊熱壁面的動(dòng)態(tài)過(guò)程.目前研究者已經(jīng)對(duì)不同組分液滴的Leidenfrost 現(xiàn)象作出了大量報(bào)道[20?22],但人們對(duì)表面活性劑如何影響液滴的過(guò)渡沸騰動(dòng)態(tài)過(guò)程還缺乏深刻認(rèn)識(shí),需要進(jìn)一步探究.

為研究表面活性劑液滴撞擊熱基底,尤其是過(guò)渡沸騰過(guò)程中,表面活性劑對(duì)液滴動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響,本文選取十二烷基硫酸鈉(SDS)、十六烷基溴化氨(CTAB)和曲拉通X-100 (Triton X-100)三種表面活性劑的水溶液液滴撞擊熱基底.通過(guò)分析表面活性劑分子的再分布,并結(jié)合高速攝影所得圖像,研究不同表面活性劑對(duì)液滴撞擊動(dòng)力學(xué)行為的影響.本文發(fā)現(xiàn)了表面活性劑液滴處于過(guò)渡沸騰時(shí),液滴蒸發(fā)的最后階段,會(huì)產(chǎn)生二次液滴,脫離基底并起跳.

2 實(shí)驗(yàn)裝置以及方法

液滴撞擊加熱壁面的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示.鋁合金基底水平固定在加熱臺(tái)上,將針頭直徑為0.7 mm 的微量移液器固定在調(diào)節(jié)支架上.使用高速攝像機(jī)拍攝液滴的撞擊和蒸發(fā)過(guò)程,相機(jī)與水平面成4°俯拍.實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為(25±2) ℃,相對(duì)濕度為60%±4%,主要裝置具體信息見(jiàn)表1.

圖1 液滴撞擊熱壁面實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1.Experiment setup for droplet impacting on the hot substrate.

表1 實(shí)驗(yàn)中的主要儀器Table 1.Main instruments in the experiment.

本文使用的水采用超純水系統(tǒng)(EPED,中國(guó))制備,鋁合金基底(厚度為1 mm)購(gòu)自中國(guó)鴻年金屬材料公司,采用聚二甲基硅氧烷乳液消泡劑(粵萬(wàn),中國(guó)),其他材料包括陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS,其臨界膠束濃度CMC 為9.0×10?3mol/L)、陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基溴化氨(CTAB,CMC 為0.8×10?3mol/L)、非離子表面活性劑曲拉通X-100(Triton X-100,CMC 為0.2×10?3mol/L)、氯化鉀(KCl)和無(wú)水乙醇,均購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司.

實(shí)驗(yàn)前,調(diào)節(jié)恒溫加熱臺(tái)的溫度并用溫度計(jì)測(cè)量基底的實(shí)際溫度.采用背光法拍攝液滴撞擊和蒸發(fā)過(guò)程.通過(guò)控制支架上的調(diào)節(jié)螺栓,使液體緩慢流出并形成液滴,當(dāng)液滴的重力大于表面張力時(shí)液滴下落,針頭與鋁合金基底固定為10 mm,液滴撞擊基底時(shí)的速度約為0.45 m/s.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同液滴的Leidenfrost 現(xiàn)象

為研究不同組分液滴撞擊熱基底的Leidenfrost 現(xiàn)象,選擇純水、10%乙醇水溶液、20% KCl水溶液和4 CMC SDS 的水溶液液滴進(jìn)行撞擊熱基底實(shí)驗(yàn).經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量,純水液滴TL為189 ℃,4 CMC SDS 液滴TL為150 ℃,10%乙醇液滴TL為181 ℃,20% KCl 液滴TL為226 ℃.

圖2 為當(dāng)基底溫度高于TL時(shí),液滴撞擊熱基底的Leidenfrost 現(xiàn)象.圖2(a)為純水液滴撞擊200 ℃基底的動(dòng)態(tài)過(guò)程.液滴在接觸熱基底后產(chǎn)生多次反彈,隨后脫離基底,懸浮在基底上.圖2(b)為10%乙醇水液滴撞擊200 ℃基底的過(guò)程,與純水液滴撞擊過(guò)程相似.圖2(c)為20% KCl 水液滴撞擊250 ℃基底的過(guò)程.液滴接觸基底后,在反彈過(guò)程中出現(xiàn)明顯的小液滴濺射,基底殘留KCl 晶體,最終懸浮在基底上.圖2(d)為SDS 液滴撞擊200 ℃熱基底的過(guò)程,反彈過(guò)程中,在9.4 ms 處液滴頂部出現(xiàn)了小液柱,經(jīng)過(guò)多次彈跳最終懸浮在基底上.圖2(e)為4 種液滴接觸半徑r(液滴與基底的接觸半徑)隨時(shí)間的變化.r第1 次為0表示液滴開(kāi)始接觸熱基底,第2 次為0 表示液滴反彈脫離基底.由圖2(e)可知,與純水液滴相比,SDS 液滴與基底的接觸時(shí)間τc縮短,這是因?yàn)閺耐叽绻軓结橆^釋放的液滴,SDS 液滴尺寸更小,其中ρ為液滴的密度,R為液滴的半徑,σ為液滴的表面張力)[23].而由于其表面張力降低,使液滴與基底的最大鋪展半徑增大.KCl 液滴與基底的接觸時(shí)間τc比純水液滴長(zhǎng),這可能因?yàn)镵Cl 液滴蒸發(fā)時(shí)固液界面的KCl 結(jié)晶,導(dǎo)致液滴與基底的黏附力增大,使液滴與基底的接觸時(shí)間延長(zhǎng).

圖2 4 種液滴的Leidenfrost 現(xiàn)象 (a) 純水;(b) 10%乙醇水溶液;(c) 20% KCl 水溶液;(d) 1 CMC SDS 水溶液.(e) 3 種液滴第一次撞擊基底時(shí)接觸半徑隨時(shí)間變化.r 減小為0 時(shí),液滴反彈脫離基底,標(biāo)尺為2 mmFig.2.Leidenfrost phenomenon of four droplets: (a) Pure water;(b) 10% ethanol aqueous solution;(c) 20% KCl aqueous solution;(d) 1 CMC SDS aqueous solution.(e) Contact radius varies with time when droplets hit the substrate for the first time.When r decreased to 0,the droplets bounced off the base,and the scale bar represents 2 mm.

液滴內(nèi)的不同組分對(duì)液滴撞擊熱基底的Leidenfrost 現(xiàn)象有顯著影響,加入表面活性劑除了會(huì)影響液滴的最大接觸半徑和接觸時(shí)間之外,還改變了TL.為說(shuō)明表面活性劑的濃度和種類對(duì)TL的影響,本工作研究了純水、SDS、CTAB 和Triton X-100 液滴撞擊熱基底的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.圖3(a)展示了3 種表面活性劑液滴的表面張力隨表面活性劑濃度的變化,3 種液滴的表面張力變化趨勢(shì)一致且最終達(dá)到的飽和表面張力相近.圖3(b)展示了3 種不同表面活性劑的TL隨濃度的變化,SDS 和CTAB 液滴的TL隨濃度增加降低,Triton X-100液滴的TL隨濃度升高而升高,3 種表面活性劑液滴最終都會(huì)達(dá)到飽和TL.Zhang 等[24]也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果,同時(shí)非離子表面活性劑PEG-1000 的加入也會(huì)使液滴的TL升高.這些實(shí)驗(yàn)表明離子型表面活性劑可能對(duì)降低TL有顯著作用,而非離子表面活性劑會(huì)使TL升高.

圖3 表面活性劑濃度對(duì)液滴性質(zhì)的影響 (a)表面張力;(b) TLFig.3.Influence of surfactant concentration on droplet properties: (a) Surface tension;(b) TL.

3.2 不同液滴的過(guò)渡沸騰

為探索不同組分液滴撞擊熱基底的過(guò)渡沸騰動(dòng)力學(xué)過(guò)程,本文選擇純水、KCl 水溶液、乙醇水溶液和SDS 的水溶液液滴撞擊140 ℃鋁合金基底.圖4 展示了4 種液滴撞擊低于TL熱基底的全過(guò)程.純水液滴的撞擊過(guò)程如圖4(a)所示.液滴撞擊基底后不再脫離基底.固液界面產(chǎn)生大氣泡,伴隨液滴蒸發(fā)和氣泡爆炸,純水液滴最終消失.圖4(b)和圖4(c)展示了20%的KCl 液滴和10%的乙醇水液滴的撞擊過(guò)程,KCl 液滴蒸發(fā)過(guò)程與純水液滴相似,最后在基底留下污漬;而乙醇液滴蒸發(fā)伴隨大量微小液滴濺射.圖4(d)展示了SDS 液滴撞擊熱基底后的過(guò)程,隨著液滴的蒸發(fā),液滴體積逐漸變小,收縮成二次液滴,并最終起跳.圖4(e)展示了4 種液滴接觸半徑r隨時(shí)間變化,SDS 液滴接觸半徑r第2 次為0 表示液滴起跳,其他3 種液滴第2 次為0 表示液滴完全蒸發(fā).由圖4(e)可知,與水滴和KCl 液滴相比,加入SDS 后,初始液滴在熱基底上的存在時(shí)間明顯縮短(從～2000 ms 到～500 ms),這是因?yàn)镾DS 的加入提高了液滴的沸騰傳熱效率,使液滴蒸發(fā)所需時(shí)間顯著降低.另一方面,水滴和KCl 液滴與熱基底的接觸半徑明顯大于SDS 液滴.這是因?yàn)樵谶^(guò)渡沸騰狀態(tài),水滴和KCl 液滴產(chǎn)生大量大氣泡,與基底實(shí)現(xiàn)了更大面積的接觸.

圖4 4 種液滴過(guò)渡沸騰的過(guò)程 (a) 純水液滴;(b) 20%KCl 水液滴;(c) 10%乙醇水液滴;(d) 4 CMC SDS液滴.(e) 4 種液滴接觸半徑隨時(shí)間變化.SDS 液滴的r 降為0指二次液滴起飛,其他液滴降為0 代表液滴完全蒸發(fā).標(biāo)尺為5 mmFig.4.Transition boiling process of four droplets: (a) Pure water;(b) 20% KCl aqueous solution;(c) 10% ethanol aqueous solution;(d) 4 CMC SDS aqueous solution.(e) Contact radius of the four droplets varies with time.The r of SDS droplet decreased to 0 indicated that the secondary droplet took off,the other droplets indicated that the droplets completely evaporated.The scale bar represents 5 mm.

SDS 液滴撞擊熱基底的動(dòng)態(tài)過(guò)程,即產(chǎn)生二次液滴,與其他不同組分液滴存在明顯區(qū)別.Chaves 等[25]報(bào)道了液滴過(guò)渡沸騰條件下另一類型的二次液滴形成的機(jī)理: 氣泡液膜爆炸導(dǎo)致射流破碎,二次液滴為氣泡爆炸產(chǎn)生的微小液滴,即圖4(c)中的微小液滴濺射.而本文中二次液滴是指處于過(guò)渡沸騰的表面活性劑液滴,在蒸發(fā)的最后階段,剩余液滴收縮為球形,脫離基底并起跳.

SDS 液滴在過(guò)渡沸騰的最后階段,產(chǎn)生二次液滴并起跳這一特殊現(xiàn)象十分有趣.為驗(yàn)證該現(xiàn)象在表面活性劑液滴中的普遍性,如圖5 所示,實(shí)驗(yàn)還選擇了其他兩種表面活性劑,即陽(yáng)離子表面活性劑CTAB 和非離子表面活性Triton X-100,探究不同類型表面活性劑液滴的過(guò)渡沸騰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.圖5(a)—(c)展示了3 種表面活性劑液滴撞擊溫度為140 ℃鋁合金基底的過(guò)程.液滴撞擊基底后鋪展,伴隨蒸發(fā),剩余液體向頂部聚集,形成上層液體并被氣泡托起,最終產(chǎn)生二次液滴并起跳.3 種類型的表面活性劑液滴撞擊熱基底后均產(chǎn)生了二次液滴,說(shuō)明表面活性劑類型對(duì)二次液滴的起跳沒(méi)有顯著影響.圖5(d)為撞擊后3 種液滴的接觸半徑r的變化,r第2 次為0 均表示液滴起跳.3 種表面活性劑液滴蒸發(fā)能力相近,因此,蒸發(fā)所需時(shí)間沒(méi)有明顯差異.

圖5 二次液滴形成 (a) 1 CMC 的SDS 液滴,140 ℃;(b) 1 CMC 的CTAB 液滴,140 ℃;(c) 4 CMC 的Triton X-100 液滴,140 ℃.(d) 3 種液滴接觸半徑隨時(shí)間變化.r 第2 次為0 代表二次液滴起跳.標(biāo)尺為2 mmFig.5.Formation of secondary droplets: (a) 1 CMC SDS droplets at 140 ℃;(b) 1 CMC CTAB droplets at 140 ℃;(c) 4 CMC Triton X-100 droplets at 140 ℃.(d) Contact radius of the three droplets varies with time,the r of SDS droplets decreased to 0 indicated that the secondary droplets took off.The scale bar represents 2 mm.

不同濃度的表面活性劑液滴撞擊溫度為140 ℃的鋁合金基底,產(chǎn)生二次液滴的半徑R如圖6 所示.二次液滴半徑與表面活性劑濃度有關(guān),當(dāng)表面活性劑濃度低于1 CMC 時(shí),SDS 和CTAB 液滴的二次液滴半徑隨表面活性劑濃度的升高而增大,當(dāng)濃度高于1 CMC 后,二次液滴的尺寸達(dá)到飽和.Triton X-100 液滴的二次液滴在2 CMC 以后才出現(xiàn).

圖6 二次液滴半徑R 隨表面活性劑濃度的變化趨勢(shì)Fig.6.Variation trend of the secondary drop radius with surfactant concentration.

3.3 二次液滴的產(chǎn)生機(jī)理

為驗(yàn)證表面活性劑的起泡作用在二次液滴的形成過(guò)程中是否起主要作用,本文在CTAB(4 CMC)溶液中加入0.4%體積分?jǐn)?shù)的消泡劑,分析加入消泡劑后液滴撞擊熱基底的現(xiàn)象與未加入消泡劑時(shí)的區(qū)別.圖7(a)為3 種4 CMC 表面活性劑溶液和3 種4 CMC 表面活性劑溶液中加入消泡劑劇烈振蕩5 次的結(jié)果.所有溶液初始高度均為10 mm,柱狀圖兩種顏色分別為溶液的高度和振蕩后產(chǎn)生泡沫的高度.未加入消泡劑前,表面活性劑溶液振蕩后有大量氣泡形成,其中Triton X-100溶液振蕩后氣泡高度明顯少于其他2 種表面活性劑.加入消泡劑后,3 種溶液經(jīng)過(guò)劇烈振蕩后,只產(chǎn)生了少量氣泡,并且氣泡迅速潰滅.圖7(b)展示了添加消泡劑的3 表面活性劑液滴撞擊熱基底的動(dòng)態(tài)過(guò)程.與未加入消泡劑時(shí)相比,3 種表面活性劑液滴在蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡,數(shù)量減少且體積更大.另外,液滴蒸發(fā)時(shí)未在頂部聚集產(chǎn)生明顯的上層液體,最終沒(méi)有二次液滴產(chǎn)生.這些結(jié)果進(jìn)一步肯定了表面活性劑對(duì)二次液滴的產(chǎn)生起著關(guān)鍵作用.

圖7 表面活性劑液滴加入消泡劑 (a) 3 種表面活性劑溶液中加入消泡劑劇烈振蕩的結(jié)果;(b) 加入消泡劑的SDS 液滴撞擊熱基底;(c) 加入消泡劑的CTAB 液滴撞擊熱基底;(d) 加入消泡劑的Triton X-100液滴撞擊熱基底.標(biāo)尺為5 mmFig.7.Addition of defoamer to surfactant solution: (a) Result of three surfactant solutions added defoamer shaken vigorously;(b) SDS droplet with defoamer impacted on the hot substrate;(c) CTAB droplet with defoamer impacted on the hot substrate;(d) Triton X-100 droplet with defoamer impacted on the hot substrate.The scale bar represents 5 mm.

為進(jìn)一步闡明表面活性劑分子對(duì)二次液滴形成的作用機(jī)制.圖8(a)展示了表面活性劑液滴撞擊熱基底的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.液滴撞擊熱基底后,三相接觸線附近溫度高于液滴頂部溫度.因此,三相接觸線附近表面活性劑溶解度增大,使得三相接觸線附近的表面活性劑濃度明顯大于液滴頂部濃度.因此,由濃度梯度導(dǎo)致的Marangoni 對(duì)流使上層液體得以保持[26].另外,表面活性劑的加入提高了氣泡的形核率,使氣泡尺寸降低[27,28],大量小氣泡的產(chǎn)生托起液滴,使液滴進(jìn)入部分懸浮、部分接觸的過(guò)渡狀態(tài)[29].在過(guò)渡沸騰的最后階段,上層液體逐漸收縮為球形并處于懸浮狀態(tài).最終,上層的球形液滴起跳,脫離基底.

圖8 表面活性劑和消泡劑分子導(dǎo)致的液滴動(dòng)態(tài)行為示意圖(a)表面活性劑液滴撞擊熱基底的動(dòng)態(tài)過(guò)程 (ⅰ) 下落的液滴;(ⅱ) 液滴產(chǎn)生濃度梯度;(ⅲ) 固液界面氣泡生長(zhǎng);(ⅳ)氣泡支撐上部液體;(ⅴ) 剩余液體收縮為二次液滴;(ⅵ) 二次液滴起跳.(b)添加消泡劑分子后的動(dòng)態(tài)過(guò)程 (ⅰ)單個(gè)消泡劑液滴吸附表面活性劑分子;(ⅱ) 大液滴中的表面活性劑分子被消泡劑大量消耗,液滴表面無(wú)顯著濃度梯度;(ⅲ)頂部液體無(wú)法聚集,箭頭方向?yàn)镸arangoni 流動(dòng)方向Fig.8.Schematic of dynamic droplet behavior caused by surfactant and deformer molecules.(a) Dynamic process of surfactant droplet impacting on hot substrate: (ⅰ) Falling droplet;(ⅱ) formation of concentration gradient;(ⅲ) bubbles growth at the solidliquid interface;(ⅳ) bubbles held up the top liquid;(ⅴ) the remained liquid shrunk into secondary droplet;(ⅵ) the secondary droplet detached from the substrate.(b) Dynamic process after adding defoamer molecules: (ⅰ) A single defoamer drop adsorbed surfactant molecules;(ⅱ) the surfactant molecules in the large droplets were consumed in large quantities by deformers,there was no significant concentration gradient on the droplet surface;(ⅲ) the top liquid failed to aggregate.Arrows showed the direction of Marangoni flow.

加入消泡劑后,表面活性劑分子被消泡劑的油性小液滴(聚二甲基硅氧烷乳液)所吸附.因此,水相、液-固和液-氣界面附近的表面活性劑分子,與未加入消泡劑時(shí)相比顯著減少,無(wú)法形成明顯的濃度梯度,極大程度上削弱了Marangoni 效應(yīng)(圖8(b)).同時(shí),由于大量表面活性劑分子被消泡劑液滴消耗,從而削弱了表面活性劑誘發(fā)氣泡形核的作用,產(chǎn)生的氣泡尺寸增大[30].因此加入消泡劑后,無(wú)法產(chǎn)生顯著的Marangoni 流動(dòng),上層液體下沉,直至被熱基底的發(fā)泡過(guò)程消耗用盡,最終無(wú)二次液滴產(chǎn)生.

蒸發(fā)的最后階段,底部小氣泡的尺寸在10?4m量級(jí),氣泡爆炸釋放的能量可能為二次液滴起跳提供驅(qū)動(dòng)力.在忽略黏性耗散的情況下,氣泡表面能轉(zhuǎn)化為二次液滴動(dòng)能,即

其中,ΔS為氣泡的表面積,m為液滴質(zhì)量,v為二次液滴初速.計(jì)算得到二次液滴初速約為10?1m/s.而實(shí)驗(yàn)測(cè)得4 CMC 的SDS、CTAB 和Triton X-100 二次液滴起跳速度分別0.14,0.16 和0.10 m/s,這與(1)式的估算結(jié)果一致.因此可以推斷,氣泡爆炸釋放的能量直接導(dǎo)致了二次液滴起跳.

為驗(yàn)證表面活性劑產(chǎn)生二次液滴這一現(xiàn)象是否普遍,本文對(duì)3 種表面活性劑液滴撞擊140 ℃基底的實(shí)驗(yàn)均重復(fù)了20 次,其中SDS 液滴實(shí)驗(yàn)中有18 次出現(xiàn)了二次液滴,CTAB 液滴出現(xiàn)19 次,Triton X-100 液滴出現(xiàn)12 次.因此,表面活性劑液滴在過(guò)渡沸騰狀態(tài)下產(chǎn)生二次液滴具有良好的重復(fù)性.

在撞擊熱基底及后續(xù)蒸發(fā)過(guò)程中,液滴總會(huì)出現(xiàn)沸騰發(fā)泡現(xiàn)象,能否在發(fā)泡過(guò)程中形成并保持氣泡的上層液體,是出現(xiàn)二次液滴的關(guān)鍵.不管熱基底的親疏性如何,表面活性劑液滴落向基底后,三相接觸線的溫度都高于頂部,必然導(dǎo)致表面活性劑的濃度梯度和Marangoni 效應(yīng),所以基底的親疏水性對(duì)二次液滴的形成過(guò)程沒(méi)有顯著影響.另外,基底的導(dǎo)熱性只影響液滴的過(guò)渡沸騰溫度,但不影響產(chǎn)生二次液滴的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.基底的粗糙度可能影響氣泡形核密度[24],進(jìn)而影響產(chǎn)生的氣泡數(shù)量和尺寸,對(duì)二次液滴的起跳過(guò)程產(chǎn)生一定影響.

4 結(jié)論

本文采用SDS,CTAB 和Triton X-100 三種表面活性劑,利用高速攝影技術(shù)對(duì)表面活性劑液滴撞擊熱鋁合金基底的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論:

1)處于過(guò)渡沸騰的表面活性劑液滴,在蒸發(fā)的最后過(guò)程,會(huì)產(chǎn)生二次液滴并起跳.二次液滴起跳的驅(qū)動(dòng)力是底部氣泡爆炸產(chǎn)生的沖擊力.

2)表面活性劑種類和濃度影響液滴的Leidenfrost 溫度.液滴撞擊基底后,三相接觸線的表面活性劑分子濃度大于液滴頂部.由濃度梯度驅(qū)動(dòng)的Marangoni 效應(yīng)使上層液體得以保持,對(duì)二次液滴的形成起決定作用.

3)當(dāng)表面活性劑活性劑濃度小于1 CMC 時(shí),SDS 和CTAB 液滴產(chǎn)生的二次液滴半徑隨表面活性劑濃度升高而增加,最終達(dá)到飽和尺寸.

本研究闡明了二次液滴形成過(guò)程中表面活性劑的作用,有助于更好地認(rèn)識(shí)表面活性劑液滴撞擊熱基底動(dòng)力學(xué)過(guò)程,為理解Leidenfrost 效應(yīng)的物理機(jī)制以及改進(jìn)沸騰傳熱提供了參考.