表面粗糙度对液滴蒸发过程及内流场的影响（可编辑）

面粗糙度对液滴蒸发过程及内流场的影响（可编辑） 表面粗糙度对液滴蒸发过程及内流场的影响 CSTAM 2012-B03-0153 表面粗糙度对混有荧光粒子的液滴蒸发过 程及接触角的影响 金华翔,金哲岩,杨志刚 同济大学航空航天与力学学院 同济大学汽车学院 上海地面交通工具风洞中心 第七届全国流体力学学术会议 2012年 11月 12?14日 广西?桂林 Copyright2012 版权所有 中国力学学会 地址: 北京市北四环西路 15号 邮政编码:100190 Address: No.15 Beisihuanxi Road, Beijing 100190第七届全国流体力学学术会议 CSTAM2012-B03-0153 2012年11月 广西?桂林 表面粗糙度对混有荧光粒子的液滴蒸发过 程及接触角的影响 * *,2 + 金华翔 ,金哲岩 ,杨志刚*(同济大学航空航天与力学学院, 上海市四平路 1239 号, 邮编200092) +(同济大学汽车学院, 上海市嘉定区曹安公路4800号, 邮编201804) +(上海地面交通工具风洞中心, 上海市嘉定区曹安公路4800 号, 邮编201804) 摘要 如今,液滴已被广泛地应用于打印机、微型泵等微流体领域,但是与液滴相关的众多 现象,如马兰格尼效应、接触角和蒸发过程等,过去的研究并不充分。本文详细研究了接 触面的不同表面粗糙度对液滴蒸发过程及接触角的影响,具体为通过采用粒子图像测速技 术,获得了液滴中间平面的粒子图像,计算了不同接触面粗糙度条件下混有荧光粒子的液 滴无量纲体积与接触角随时间的变化曲线。 关键词 液滴;无量纲体积;接触角;表面粗糙度 引 言 蒸发时液滴界面保持平稳成圆形的为稳定型 (如环己烷、四氯化碳),蒸发时产生巨大波 液滴目前被广泛地应用在 DNA 分子显像, 动并且界面呈现锯齿状的为不稳定型(如甲醇、 自净吸附材料及喷墨打印等微流体领域。然而, 酒精),而介于两者中间的是次稳定型(如乙 在与液滴微纳米尺度相关的诸多现象上,如马 酸乙酯、二氯甲烷),他们进一步指出拥有较 兰格尼效应、蒸发过程、液滴与固体表面的接 大马兰戈尼数和介电常数的液滴更容易导致不 触角等方面的研究进行的并不充分。液滴内部 [5] 稳定型蒸发。Hegseth 等人 对室温下悬挂的甲 的液体流动对整体输运现象起着重要的作用, 醇液滴的自然对流进行了观察,并指出在足够 研究者们对此已经达成了共识并进行着大量的 快的蒸发条件下,液滴内部存在着由表面张力 研究。 引起的随机剧烈流动,同时蒸发时的马兰戈尼 在马兰戈尼效应方面,Savino和Fico等人 不稳定所引起的强烈对流又使液滴趋于一种临 [1,2] 采用实验和数值模拟的方法研究了马兰戈尼 [6] 界稳定的状态。Uno 等人 研究了液滴中胶质悬 效果和浮力对悬挂液滴的影响。悬挂着液滴的 浮颗粒在不同表面(亲水与憎水表面)下沉积 接触面的温度被突然增加或降低以研究瞬时的 的情况。研究表明在亲水性表面,蒸发过程一 加热和冷却过程。他们对具有不同粘性的硅油 般保持接触面积不变,在接触边界的轮廓上容 的研究表明,马兰戈尼效果对液滴内的速度和 易产生一层薄的颗粒聚集,聚集层快速蒸发后 [3] 温度分布影响较大。Ristenpart 等人 通过理 就形成“边缘”状的沉积类型。而在憎水性表 论和实验的方式研究了马兰戈尼热流动并建立 面,接触表面一般是不断缩小的,虽然这种缩 了一套标准来界定它的影响,并发现回流的方 小的趋势会受到边缘沉积颗粒的阻挡,但随蒸 向取决于接触角与平板和液体热传导系数的比 发的进行缩小的趋势会更占优势,随着液滴体 率两个因素。 积的减小使大量颗粒集中在中心的一个区域, [4] 在液滴蒸发方面,Zhang和Yang 观察了不 最后液滴蒸发后形成一个点状的沉积。他们指 同液滴蒸发时的界面特征,并分为三大种类:1)资金资助项目(第 42批教育 部回国人员科研启动基金) 2)联系作者 Email:zheyanjin@//0>. 出薄聚集层的形成是产生何种沉淀的关键,这 面的粒子图像,并分析了不同 接触面粗糙度对 与液滴内部的液体流动是分不开的。王晓东等 液滴无量纲体积、接触角的 影响。 [7] 人 观察了 5微升小水滴在铜、铝和不锈钢表明 实验装置 上的蒸发与核化过程,并测量了液滴高度、湿 润半径和接触角随时间的动态演化。倪培永等 在本项研究中,液滴的制备过程如下:首 [8] 人 采用单液滴非平衡蒸发的数学物理模型, 先将 0.01g荧光粒子(D?6?m)、13mL 去离子 研究了静止环境中甲醇液滴的瞬态蒸发特性。 水和 150μl乙醇混合在试管内,然后使用 在有关接触角方面,研究人员发现两类普 XW-80A 漩涡混合器将溶液混合搅拌 3min,再使 遍的蒸发行为:恒接触角与恒接触面积。根据 用 KQ-50E 超声机振荡溶液 5min,最后将溶液密 [9,10] Erbil 等人 的结论,这种行为与初始接触角 封并静止 15min,选取试管中部的清液加入至注 的关系最为密切,如果初始接触角小于 90?, 射器,以备使用。 在整个的蒸发过程中接触区间的面积会基本保 本项研究选用 50mm×50mm×1.5mm 红铜铜 持不变,并且蒸发过程基本保持线性,它遵循 板 4 块,其中三块分别以 200#、600#和 1000# 一种叫 Spherical Cap 的理论,大多数的蒸发 砂纸单向打磨 500 次以上,另外一块未经打磨 都属于这种类型。如果初接触角大于 90?,随 (Ra 值分别为 0.2μm、0.4μm、0.5μm 和1.16 着蒸发的进行,接触区域会持续收缩,而接触 μm)。在清洗制备好的铜板时,需要将铜板依 角保持不变,少数的一些蒸发属于这种情况, 次在丙酮、乙醇及去离子水中进行超声清洗, 如水滴在有机表面蒸发时的情况。DeSimone 等 时间分别为 6 分钟、30分钟和 40 分钟。[11] 人 为解释粗糙表面上液滴接触角的滞后现 本项研究所用的实验装置如图 1 所示:首 象,建立了以表面粗糙度为函数的接触角方程。 先,注射器产生体积约为 8?L 的液滴,并从实 此外,人们对于液滴内部流体的运动现象 验铜板上方 2.5cm 处滴落。实验板为红铜板, [12] 也进行了一定的研究。Hu 和Larson 对出现马 且以导热胶与恒温水域装置AC 150-A25, 兰戈尼应力的蒸发液滴内的速度场提出了一个 Thermo Scientific相连,水浴装置用来调节 润滑理论。他们指出,在热传导路径长度上的 铜板即液滴接触面的温度。Nd:Yag激光器(New 不均匀会在大接触角时产生一个正的马兰戈尼 Wave)所发射的波长为 532nm 的激光,在经过 数并形成向内的径向流动,而在蒸发率上的不 光学狭缝后形成了一个宽度为600μm的激光片 均匀导致一个负的马兰戈尼数并形成向外的径 光,激发液滴中的荧光粒子,并通过 CCD 照相 [13] 向流动。Savino 和Monti 是用数值模拟的方 机(Sensicam QE, Cooke)拍摄呈像。数字延 法研究了稳态悬浮液滴的液体流动。最近,Kang 迟发生器 BNC 575-8C用以控制激光照明和照 [14,15] 等人 基于光路追踪法提出了一个速度校正 相机图像采集的频率和同步性。方法以克服因为液滴的曲面而产生的图像扭 曲并研究了不同酒精浓度下液滴内部的流动特 [16] 征。金哲岩和胡晖 研究了接触面温度对表面 蒸发液滴的接触角和无量纲体积变化的影响。 尽管研究人员针对液滴进行了大量的研究 [1-15] ,但他们并未探讨接触面粗糙度对混有荧光 粒子的液滴蒸发过程和接触角的影响,因而本 文主要针对这方面开展实验研究。在本项研究 中,通过采用不同目数的砂纸(200#、600#和 1000#)对实验铜板进行打磨,以获得四种不同粗糙度的实验板(其中一块为 光滑平板),并 通过采用粒子图像测速技术获得了液滴中间平 图1实验装置图 1)资金资助项目(第 42批教育部回国人员科研启动基金) 2)联系作者 Email:zheyanjin@//. 本项研究采用粒子图像测速技术,获得了 在四种接触面粗糙度情况下的液滴粒子图像, 液滴接触角和体积的计算 并通过分析粒子图像,比较了不同接触面温度 对液滴无量纲体积以及接触角的影响。在实验 图 2 表示的为如何利用液滴的尺寸计算液 过程中,周围空气的温度为 22.5?,气压为 滴接触角 θ ,接触面积S 和体积 V,此时假设 g 757mmHg,相对湿度为 72.0%。 液滴的外表面是球面的一部分。 图 3 表示液滴落到接触面 3min 后,10 张瞬 时液滴中间平面图像的平均图像(接触面的温 度为 20.0?C)。将 10 幅图像平均可以方便我 们清晰的看到粒子的轨迹。由图 3可知,液滴 左右两侧出现漩涡,由粒子图像仅为液滴的中 间平面可知,在整个液滴内部应该形成了一个 涡环。需要说明的是,在液滴底部出现的较明 亮的局部区域为荧光粒子的沉积造成的。 图2液滴尺寸图 接触角 θ ,接触面积S 和体积 V 的计算公 g式如方程 1-3 所示:y ?1 θ 2* tan (1) 图3液滴落在接触面上3min 后的图像(Tw=20.0?C) x 在液滴滴落到接触面上以后,其无量纲体积 2 S πx (2) g 随时间的变化关系如图 4 所示。可知,随着蒸 发过程的进行,液滴体积逐渐减少。然而,液 3 2 πx 1cos ? 2 + cos θ 滴在 Ra0.2μm 接触面上的蒸发速率最小,在 V (3)3 3sin θ 12 分钟以后仍剩余初始值的 91%;而在 Ra0.4 μm 接触面上的蒸发速率最大,在 12分钟以后 由于液滴是由注射器滴到 接触面上,每次 仅剩余初始值的 68%;液滴在其他接触面 滴在接触面上的体积不尽相同。为了消除此体 (Ra0.5μm和 1.12μm)上的蒸发速率处于前 积上的区别对蒸发过程研究的影响,本文引入 二者之间。众所周知,液滴会以两种状态存在 了一个名为无量纲液滴体积的参数。此参数为 于粗糙的接触面上:a. 全部润湿(Wenzel 模 液滴在蒸发过程中的体积V与刚落到接触面 型);b.部分润湿(Cassie and Baxter 模型) 上的初始体积V0之比,如方程 4 所示。 [17] ,如图 5所示。在 Ra0.2μm(未经过打磨) V 和 Ra1.12μm(#200 砂纸打磨)的接触面上, V (4) N V 0 液滴估计处于全部润湿的状态;而在 Ra0.4μm (#1000 砂纸打磨)和 Ra0.5μm(#600 砂纸打 因此,不同接触面温度条件 下液滴的蒸发 磨)的接触面上,液滴估计处于部分润湿的状 过程即可以通过此无量纲液滴体积进行比较。 态(由于相机的放大倍数不够,无法定量地进 4.实验结果与分析 行确认),润湿状态的不同可能是影响蒸发速 率的一个原因。 1)资金资助项目(第 42批教育部回国人员科研启动基金) 2)联系作者 Email:zheyanjin@//. 1.00 本文通过采用粒子图像测速技术,获得了 0.95 液滴中间平面的粒子图像,计算了不同接触面 0.90 粗糙度条件下混有荧光粒子的液滴无量纲体积 0.85 Ra0.4 μm 与接触角随时间的变化曲线。实验结果表明, Ra0.5 μm Ra1.12 μm 0.80 Ra0.2 μm 随着液滴蒸发过程的进行,液滴无量纲体积和 0.75 接触角都会减少;然而粗糙度的不同会对液滴 0.70 无量纲体积和接触角的减少速率产生很大的影 0.65 响,这可能是由于液滴所处的不同润湿状态所 0.60 0 2 4 6 8 10 12 引起的。 Time min参考文献 图4液滴无量纲体积变化曲线 1 R. Savino, S. Fico. Transient Marangoni 图5粗糙接触面上液滴的润湿状态 convection in hanging evaporating drops [J]Physics of Fluids, 2004, 1610:3738-37542 F. Nota, R. Savino and S. Fico. The interaction between drops and solidification front in presence of Marangoni effect [J]. Acta Astronautica, 2006, 59: 20-313 W. D. Ristenpart. Influence of Substrate Conductivity on Circulation Reversal in 图 6 所示为在不同接触面粗糙度下,表面 Evaporating Drops [J]. Physical Review 液滴接触角变化的情况。可知,在 Ra0.2μm Letters, 2007, 9923: 47-55和 Ra1.12μm 的接触面上,随着蒸发过程的 进 4 Zhang N, Yang W J. Natural convection in 行,液滴接触角降低但是速度很缓慢;在 Ra0.4 evaporating minute drops[J]. Heat Transferμm和Ra0.5μm的接触面 上,随着蒸发的进行, 1982, 104: 656-662液滴接触角降低速度很快;而在 Ra0.4μm 的 5 J J Hegseth, N Rashidnia and A Chai. Natural 接触面上,液滴接触角降低的最快。这种差异 convection in droplet evaporation [J]可能是由于液滴润湿状态的不同 所产生的。 Physical Review E, 1996, 542:193-207100 6 Uno K, Hayashi K and Hayashi T et al. Particle adsorption in evaporating droplets of polymer 90 latex dispersions on hydrophilic and 80 hydrophobic surfaces [J].Colloid Polym. Sci., 1998, 276:810-81570 Ra0.4 μm 7 王晓东,陆规,彭晓峰,张欣欣,王补宣,加热板 Ra0.5 μm Ra1.12 μm 60 上蒸发液滴动态特性的实验,航空动力学报,2006, Ra0.2 μm 第21卷第 6期,1001-1007 50 8 倪培永,王忠,毛攻平,袁银男,静止环境中甲醇 0 2 4 6 8 10 12 Time min 液滴蒸发的数值模拟,江苏大学学报,2010, 第31卷,第3 期,269-272 图6液滴接触角变化曲线 9 Erbil H Y, McHale G and Newton M I. Drop evaporation on solid surfaces: constant contact angle mode [J]. Langmuir, 2002, 18: 2636?2641结论 1)资金资助项目(第 42批教育部回国人员科研启动基金) 2)联系作者 Email:zheyanjin@//. 0 Nondimensionalized Volume V/V Contact Angle C 0