@ 2021.09.09 , 21:41

WHY 落进平底锅的水珠会在油上面来回滚动

大家煎东西的时候,有没有注意过:当水滴掉进锅里,除了热油爆溅,有时候,水滴会在油膜上滚来滚去。

现在,麻省理工学院的研究人员首次对这一看似微不足道的现象进行了全面的分析,他们的工作可能对微流控设备、传热系统和其他工艺产生重要影响。

热表面上的一滴沸水有时会悬浮在一层薄薄的蒸汽膜上,这种被研究得很透彻的现象称为莱顿弗罗斯特效应 Leidenfrost effect。因为它悬浮在蒸汽垫上,所以水滴可以在表面上移动,摩擦力很小。如果表面涂有热油,而热油的摩擦力比莱顿弗罗斯特液滴下的蒸汽膜大得多,那么热液滴应该会移动得更慢。但是,反其道而行之,麻省理工学院的一系列实验表明,相反的效果发生了。油上的液滴比裸露的金属上的液滴移动得更快。

这种反效应使油滴在加热的油性表面上的速度比在裸露的金属上快10到100倍——这有可能被用于自清洁或除冰系统,或推动少量液体通过用于生物医学和化学研究的微流控设备的微小管道。今天,研究生Victor Julio Leon和机械工程教授Kripa Varanasi在《物理评论快报》的论文里介绍了他们的发现。

Varanasi团队在之前的研究中表明,有可能将这一现象用于其中一些潜在的应用,但最新的发现,如此高速(大约50倍的速度),可能开辟更多的新用途。

经过繁难分析,Leon和Varanasi能够确定液滴从热表面快速滚动的原因。在适当的高温、油的粘度和油的厚度条件下,油会形成一种薄薄的斗篷,覆盖在每个水滴的外面。当水滴加热时,沿着水滴和油的界面形成微小的水汽泡。由于这些微小的气泡沿着水滴的底部随机积累,形成了不对称性,而气泡下较低的摩擦力使水滴与表面的连接松动,并将其推开。

Varanasi说:"油膜的作用几乎就像气球的橡胶,当微小的汽泡冲破时,它们会产生一个力,气球就会飞走,因为空气会从一边喷出去,形成动量转移。如果没有油的包裹,蒸气泡就会从液滴中流向各个方向,防止自我推进,但是油会像气球的皮肤一样把它们固定住。”

描述听起来很简单,但事实证明它取决于在不同时间尺度上发生的事件之间复杂的相互作用。

现象取决于许多因素,包括液滴的大小、油膜的厚度和粘度、表面的导热性、系统中不同液体的表面张力、油的类型以及表面的纹理。

在实验中,他们测试的几种油的最低粘度比周围空气的粘度高约100倍。所以,本来预计会使气泡的移动速度比在莱顿弗罗斯特效应的气垫上慢得多。

随着沸腾的开始,气泡将从一些不在其中心的成核地点随机形成。泡沫的形成将在那一边增加,导致向一个方向推进。到目前为止,研究人员还不能控制这种随机诱导的推进力的方向,但他们正在研究。

值得注意的是,测试表明,即使表面油膜只有10到100微米厚——大约是人类头发的厚度——其行为也不符合薄膜的特性。相反,由于薄膜的汽化,它实际上表现得像一个无限深的油池。Leon说,"我们对这一发现感到震惊"。虽然薄膜应该粘住液滴,但几乎无限的油池给了油滴更低的摩擦力,使它比预期的更快地移动。

这种效果取决于这样一个事实,即小气泡的形成是一个比通过油膜传递热量要快得多的过程,大约快一千倍,为液滴内的不对称性留下了充足的时间来积累。当蒸汽气泡最初在油水界面形成时,它们的绝缘性比液滴的液体要好得多,导致油膜中出现明显的热扰动。这些扰动导致液滴振动,减少摩擦并提高汽化率。

使用每秒100000帧的摄像机,经过极端的高速摄影才揭示了这种快速效应的细节。

最初,"我们在多个层面上对发生的事情感到困惑,因为这种效应是如此出人意料……这是一个相当复杂的答案,仅是看起来似乎简单。"

在实践中,这种效果意味着在某些情况下,对一个表面进行简单的加热,以适当的量和适当的油性涂层,可以使腐蚀性的结垢滴从表面清除。再往后看,一旦研究人员可以控制液滴移动的方向性,该系统就有可能取代微流控设备中的一些高科技泵,在正确的时间推动液滴通过正确的管道。这在微重力情况下可能特别有用,因为普通的泵不能像通常那样发挥作用。

https://phys.org/news/2021-08-droplets-hot-oily-surfaces.html


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