清华大学孙超教授团队在多组分液滴蒸发多尺度流动研究中取得进展
日期 2021-06-01  来源:数理科学部  作者:张攀峰 雷天刚

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图1 多组分液滴在膜态沸腾状态下的蒸发动力学过程

  在国家自然科学基金项目(批准号:11988102、11861131005)的资助下,清华大学燃烧能源中心、能源与动力工程系和航天航空学院的孙超教授团队在多组分膜态沸腾液滴蒸发动力学的研究中取得新进展,解释了多组分液滴膜态沸腾过程中独特的自发爆炸机理。该研究成果以“多组分莱顿弗罗斯特液滴的爆炸沸腾(On explosive boiling of a multicomponent Leidenfrost drop)”为题,于2021年1月12日在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上在线发表。论文链接:https://www.pnas.org/content/118/2/e2016107118。

  多组分燃料液滴的汽化现象在各种日常生活和工业生产中极为常见,这些多组分液滴在汽化过程中由于成分和比例不断变化带来了宏观现象的多样性和复杂性,而微观上相变过程表现出动力学和热力学特性的高度耦合,因此多组分液滴拥有众多亟待认知的特点。另外利用液滴的膜态沸腾状态可以模拟液滴在无接触固体壁面时的自由汽化过程。该研究针对普遍意义上的多组分液滴,以水、乙醇和反式茴香油这三种常见物质组成的液相(俗称“乌佐”)为特例,研究者们采用粒子图像测速法(PIV),通过实验测量了液滴内部的速度场信息,结合温度梯度和浓度梯度以及液滴底部蒸汽层内的流动,对其膜态沸腾状态进行了全面探究,系统性呈现了该液滴全生命周期内的汽化相变行为特性,明确了各阶段之间的转变边界,解释了多组分液滴最终产生爆炸汽化现象的本质原因。该研究通过综合实验研究和理论分析明晰地解耦了液滴各组分之间的量化依赖关系,以此为基础,通过对多组分液滴的初始状态进行合理设计,可利用膜态沸腾状态形成无边界的反应器,使得液滴在汽化过程中逐步自主完成高沸点液体析出,并实现对低沸点液体的包裹,最终引发液滴自主爆炸,实现液滴高度雾化。从而在液滴反应器研制和提升喷雾燃烧效率等方面具有巨大的应用潜力,也成为近年来极具挑战性的研究方向。

  整个蒸发过程如图1所示。由于三组分的挥发性和溶解性存在差异,因此随着液滴的不断蒸发,液滴内部的浓度比例发生改变,进而引起液滴内部产生相分离,析出大量微纳米级油滴,使得液滴变得浑浊。研究人员实验测量了液滴内部的速度场信息,并结合液滴内部的温度梯度和浓度梯度,以及液滴底部蒸汽层内的流动,从理论上解释了液滴内部的流动状态。此外,研究人员使用润滑近似模型分析液滴底部的蒸汽层动力学特性,给出了液滴最终爆炸的物理原因,并且该物理过程具有很大可扩展性。

  该工作对多组分乌佐液滴的膜态沸腾蒸发动力学过程进行了系统的实验表征和理论分析,揭示了多组分液滴自发爆炸汽化的物理机制,为研制无接触线影响的液滴反应器和制备微纳米液滴提供了理论与技术支撑,同时也对喷雾燃烧效率的提升具有重要指导意义。