Теплопроводность играет жизненно важную роль в динамике капель.

Используя методы высокоскоростной визуализации, ученые из инженерной школы МакКелви в Вашингтонский университет в Сент-Луисе Они изучили застрявший в ловушке микроскопический пузырь, который образуется при попадании капель воды на горячую, гладкую, водонепроницаемую поверхность. Они обнаружили, что теплопроводность играет большую роль, чем считалось ранее, в динамике капель на мягких поверхностях, которые отталкивают воду.

Размер пузыря, который исследовали ученые, составлял всего несколько сотен микрон. Он образует каплю воды, всасывая воздух под собой и выходя с поверхности.

Патрисия Визенс, доцент кафедры машиностроения и материаловедения, сказала: «Мы создаем капиллярные волны на капле, потому что, когда капля ударяется, она сжимается, и это вызывает удар по капле и создает каплю, которая имеет форму круглого пирога с воздушным пузырем, заключенным в середине».

Ученые протестировали капли воды на трех нагретых поверхностях: тефлоне и двух материалах с одинаковым химическим составом поверхности: PDMS, биосовместимый материал; и HTMS, гидрофобное однослойное покрытие на основе силана. Впоследствии они использовали одновременное высокоскоростное и высокоскоростное инфракрасное изображение, чтобы определить передачу тепла от гладкой поверхности к капле воды.

Они обнаружили, что количество тепла, передаваемого от гладкой поверхности к капле воды, увеличивается с увеличением скорости диффузии. Они также обнаружили, что повышение температуры поверхности изменяет размер и форму пузыря.

Интересно, что во время регрессии капель общая теплопередача снизилась на 5,6% и 7,1% при температурах поверхности 50 ° C и 65 ° C, соответственно, поскольку пузырек уменьшил общую площадь поверхности раздела жидких и твердых частиц. Хотя процесс занимает несколько секунд, он сильно влияет на эффективность охлаждения и динамика капель этих систем.

Вайсензее сказал: «Мы обнаружили, что теплопроводность была наиболее заметной формой передачи тепла во время воздействия капли на конвекцию или испарение».

Ученые также протестировали капли на шероховатой поверхности. Из-за повышенного трения капли показали меньшую площадь растекания, меньшую площадь теплопередачи и, следовательно, более низкую скорость теплопередачи. Это снижает эффективность, например, процессов охлаждения распылением.

бизнес Он сказалИ «Хотя мы использовали горячие поверхности для этого конкретного исследования, наши результаты также имеют значение для других систем, в которых капли падают на поверхность, например на лобовое стекло, крыло самолета или лопасть ветряной турбины. Например, в холодных условиях вы не хотите, чтобы капли оставались там и замерзали. Взлет важен, чтобы не затопить поверхность и не накапливать на ней слишком много жидкости. Поэтому вам нужно знать взаимодействие динамики капель и теплопередачи ».

Ссылка на журнал:

1. Ли Дж., Вайзензее П. Влияние капель с низким числом Вебера на горячие гидрофобные поверхности. Экспериментальная наука о тепле и жидкостях, выпуск 130, 1 января 2022 г., печатное издание. DOI: 10.1016 / j.expthermflusci.2021.110503