表面活性剂液滴过渡沸腾的Marangoni效应与二次液滴形成.pdf

表面活性剂液滴过渡沸腾的 Marangoni 效应与二次液滴形成*唐修行1)陈泓樾1)王婧婧1)王志军2)臧渡洋1)1)(西北工业大学物理科学与技术学院,超常条件材料物理与化学教育部重点实验室,西安710129)2)(西北工业大学材料学院,凝固技术国家重点实验室,西安710072)(2023年 6月 1 日收到;2023年 8月 18 日收到修改稿)表面活性剂液滴撞击不同温度基底的动力学过程,在传热、冷却和打印等领域均有广泛涉及.本文利用高速摄影技术对表面活性剂SDS,CTAB 和 TritonX-100 的水溶液液滴撞击热铝板的过程进行观测,研究不同表面活性剂液滴撞击热铝板动力学过程.实验发现,处于过渡沸腾的表面活性剂液滴,在蒸发的最后阶段会形成一个处于非浸润状态的二次液滴.分析表明,液滴撞击基底后,液滴的三相接触线和液滴顶部产生温度梯度,三相接触线附近的表面活性剂分子浓度显著大于液滴顶部.由浓度梯度驱动的 Marangoni 效应使上层液体得以保持,并在蒸发的最终阶段,逐渐收缩为球形,形成二次液滴,在底部气泡爆炸产生的冲击下脱离基底并起跳.二次液滴的半径随初始液滴浓度升高而增大,最终达到饱和半径.该项工作阐明了二次液滴形成过程中表面活性剂的作用,为理解 Leidenfrost 效应的物理机制以及调控沸腾传热提供了参考.关键词：热基底,表面活性剂,Leidenfrost 效应,二次液滴PACS：68.03.g,68.03.Fg,68.35.JaDOI:10.7498/aps.72.202309191引言液滴撞击热壁面的现象,在内燃机燃烧、喷雾冷却和喷墨打印等工业过程中有广泛涉及13.撞击时,固液界面存在剧烈的相互作用.环境、基底温度和结构、液滴性质和组分,对液滴撞击动力学都有重要影响47.研究液滴与热基底之间的相互作用,阐明撞击过程的动力学规律,对实现有效传热具有重要意义.当液滴撞击不同温度的壁面时,根据液滴的蒸发寿命和液滴运动状态,可以发现4 种不同的蒸发状态:薄膜蒸发、核沸腾、过渡沸腾和薄膜沸腾810.常温下,撞击液滴在基底表面铺展,逐渐蒸发,即薄膜蒸发.当壁面温度达到某一临界温度时,固液界面产生气泡,气泡爆炸扰动液气界面,并最终使气液界面破裂,导致微小液滴剧烈飞溅,即核沸腾8.在更高温度的壁面上,液滴部分与基底接触,部分被液滴产生的蒸气托起,即过渡沸腾.当基底温度超过 TL(Leidenfrost 温度)时,液滴被自身产生的蒸气托起,悬浮在基底上,液滴寿命增加,即薄膜沸腾,这是著名的 Leidenfrost效应10.学者已对液滴撞击热壁面的动力学过程进行了一定的研究11,12.Celestini等11发现在 Leiden-frost 液滴蒸发过程中,当剩余液滴的半径减小至某一临界值时,气膜厚度和宽度相等,润滑近似失效,剩余液滴就会起跳.Sun 等12得出了 Leiden-frost 液滴蒸发的两个动力学过程,大液滴因为液滴内污染物发生积聚并降低蒸发速率,最终爆炸;小液滴在 Leidenfrost 现象的最后阶段起跳.研究*国家自然科学基金(批准号:11972303,12272314)资助的课题.通信作者.E-mail:2023中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)196801196801-1发现,加入表面活性剂可以增强水的沸腾传热能力1315.Morgan 等16使用十二烷基磺酸钠(SLS)的水溶液进行研究,发现表面活性剂通过降低表面张力提高沸腾传热系数.Hetsroni 等17的实验结果表明,表面活性剂的加入可以增强沸腾传热能力,并且存在最佳的强化传热浓度.Sham 等18发现,当表面张力降低时,气泡尺寸减小,气泡数量增加,这是沸腾传热增强的原因.Wang 等19证明了表面活性剂增强沸腾传热的机制,即气泡喷射和气泡爆炸过程增强了表面活性剂溶液中的沸腾传热,而不是低表面张力.因此,加入表面活性剂,增强沸腾传热,可以有效影响液滴撞击热壁面的动态过程.目前研究者已经对不同组分液滴的 Leiden-frost 现象作出了大量报道2022,但人们对表面活性剂如何影响液滴的过渡沸腾动态过程还缺乏深刻认识,需要进一步探究.为研究表面活性剂液滴撞击热基底,尤其是过渡沸腾过程中,表面活性剂对液滴动力学过程的影响,本文选取十二烷基硫酸钠(SDS)、十六烷基溴化氨(CTAB)和曲拉通 X-100(TritonX-100)三种表面活性剂的水溶液液滴撞击热基底.通过分析表面活性剂分子的再分布,并结合高速摄影所得图像,研究不同表面活性剂对液滴撞击动力学行为的影响.本文发现了表面活性剂液滴处于过渡沸腾时,液滴蒸发的最后阶段,会产生二次液滴,脱离基底并起跳.2实验装置以及方法液滴撞击加热壁面的实验装置如图 1所示.铝合金基底水平固定在加热台上,将针头直径为0.7mm 的微量移液器固定在调节支架上.使用高速摄像机拍摄液滴的撞击和蒸发过程,相机与水平面成 4俯拍.实验时环境温度为(252),相对湿度为 60%4%,主要装置具体信息见表 1.本文使用的水采用超纯水系统(EPED,中国)制备,铝合金基底(厚度为 1mm)购自中国鸿年金属材料公司,采用聚二甲基硅氧烷乳液消泡剂(粤万,中国),其他材料包括阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS,其临界胶束浓度 CMC 为9.0103mol/L)、阳离子表面活性剂十六烷基溴化氨(CTAB,CMC 为 0.8103mol/L)、非离子表面活性剂曲拉通 X-100(TritonX-100,CMC 为0.2103mol/L)、氯化钾(KCl)和无水乙醇,均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司.实验前,调节恒温加热台的温度并用温度计测量基底的实际温度.采用背光法拍摄液滴撞击和蒸发过程.通过控制支架上的调节螺栓,使液体缓慢流出并形成液滴,当液滴的重力大于表面张力时液滴下落,针头与铝合金基底固定为 10mm,液滴撞击基底时的速度约为 0.45m/s.3实验结果与分析3.1 不同液滴的 Leidenfrost 现象为研究不同组分液滴撞击热基底的 Leiden-frost 现象,选择纯水、10%乙醇水溶液、20%KCl水溶液和 4CMCSDS 的水溶液液滴进行撞击热基底实验.经实验测量,纯水液滴 TL为 189,4CMCSDS 液滴 TL为 150,10%乙醇液滴 TL为 181,20%KCl 液滴 TL为 226.图 2 为当基底温度高于 TL时,液滴撞击热基底的 Leidenfrost 现象.图 2(a)为纯水液滴撞击200 基底的动态过程.液滴在接触热基底后产生多次反弹,随后脱离基底,悬浮在基底上.图 2(b)为 10%乙醇水液滴撞击 200 基底的过程,与纯水液滴撞击过程相似.图 2(c)为 20%KCl 水液滴微量移液器高速相机面光源热电偶温度计铝合金基底加热平台计算机调节支架300 K图1液滴撞击热壁面实验装置Fig.1.Experimentsetupfordropletimpactingonthehotsubstrate.表1实验中的主要仪器Table1.Maininstrumentsintheexperiment.名称型号功能(误差)恒温加热台C-MAGHP0(5001)高速摄像机PhotronFastcamMiniUX1001032103f/s光源KM-FL120120-W热电偶温度计ES13100(5000.1)物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)196801196801-2撞击 250 基底的过程.液滴接触基底后,在反弹过程中出现明显的小液滴溅射,基底残留 KCl 晶体,最终悬浮在基底上.图 2(d)为 SDS 液滴撞击200 热基底的过程,反弹过程中,在 9.4ms 处液滴顶部出现了小液柱,经过多次弹跳最终悬浮在基底上.图 2(e)为 4 种液滴接触半径 r(液滴与基底的接触半径)随时间的变化.r 第 1 次为 0cR3/表示液滴开始接触热基底,第 2 次为 0 表示液滴反弹脱离基底.由图 2(e)可知,与纯水液滴相比,SDS 液滴与基底的接触时间 tc缩短,这是因为从同尺寸管径针头释放的液滴,SDS 液滴尺寸更小(,其中 r 为液滴的密度,R 为液滴的半径,s 为液滴的表面张力)23.而由于其表面张力降低,使液滴与基底的最大铺展半径增大.KCl 液滴与基底的接触时间 tc比纯水液滴长,这可能因为 KCl 液滴蒸发时固液界面的 KCl 结晶,导致液滴与基底的黏附力增大,使液滴与基底的接触时间延长.液滴内的不同组分对液滴撞击热基底的 Lei-denfrost 现象有显著影响,加入表面活性剂除了会影响液滴的最大接触半径和接触时间之外,还改变了 TL.为说明表面活性剂的浓度和种类对 TL的影响,本工作研究了纯水、SDS、CTAB 和 TritonX-100 液滴撞击热基底的动力学过程.图 3(a)展示了 3 种表面活性剂液滴的表面张力随表面活性剂浓度的变化,3 种液滴的表面张力变化趋势一致且最终达到的饱和表面张力相近.图 3(b)展示了051015202501234(e)10%alcohol20%KClWater4CMC SDS/mm/ms(a)0 ms93.3 ms77.5 ms108.5 ms66.8 ms47.3 ms17.8 ms10 ms(b)409.8 ms263.5 ms22.5 ms230.3 ms199.8 ms49.3 ms9.3 ms0 ms(c)0 ms9.4 ms17.2 ms27.8 ms47.2 ms58.8 ms65.6 ms73.1 ms(d)0 ms60 ms123 ms184 ms241.3 ms285.5 ms318.3 ms367.5 ms图24 种液滴的 Leidenfrost 现象(a)纯水;(b)10%乙醇水溶液;(c)20%KCl 水溶液;(d)1CMCSDS 水溶液.(e)3 种液滴第一次撞击基底时接触半径随时间变化.r 减小为 0 时,液滴反弹脱离基底,标尺为 2mmFig.2.Leidenfrost phenomenon of four droplets:(a)Purewater;(b)10%ethanolaqueoussolution;(c)20%KClaqu-eoussolution;(d)1CMCSDSaqueoussolution.(e)Contactradiusvarieswithtimewhendropletshitthesubstrateforthefirsttime.Whenrdecreasedto0,thedropletsbouncedoffthebase,andthescalebarrepresents2mm.01234304050607080(a)SDSCTABTriton X-100/(mNSm-1)/CMC(b)0246160200240WaterSDSCTABTriton X-100L/C/CMC图3表面活性剂浓度对液滴性质的影响(a)表面张力;(b)TLFig.3.Influence of surfactant concentration on dropletproperties:(a)Surfacetension;(b)TL.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)196801196801-33 种不同表面活性剂的 TL随浓度的变化,SDS 和CTAB 液滴的 TL随浓度增加降低,TritonX-100液滴的 TL随浓度升高而升高,3 种表面活性剂液滴最终都会达到饱和 TL.Zhang 等24也发现了相似的结果,同时非离子表面活性剂 PEG-1000 的加入也会使液滴的 TL升高.这些实验表明离子型表面活性剂可能对降低 TL有显著作用,而非离子表面活性剂会使 TL升高.3.2 不同液滴的过渡沸腾为探索不同组分液滴撞击热基底的过渡沸腾动力学过程,本文选择纯水、KCl 水溶液、乙醇水溶液和 SDS 的水溶液液滴撞击 140 铝合金基底.图 4 展示了 4 种液滴撞击低于 TL热基底的全过程.纯水液滴的撞击过程如图 4(a)所示.液滴撞击基底后不再脱离基底.固液界面产生大气泡,伴随液滴蒸发和气泡爆炸,纯水液滴最终消失.图 4(b)和图 4(c)展示了 20%的 KCl 液滴和 10%的乙醇水液滴的撞击过程,KCl 液滴蒸发过程与纯水液滴相似,最后在基底留下污渍;而乙醇液滴蒸发伴随大量微小液滴溅射.图 4(d)展示了 SDS 液滴撞击热基底后的过程,随着液滴的蒸发,液滴体积逐渐变小,收缩成二次液滴,并最终起跳.图 4(e)展示了 4 种液滴接触半径 r 随时间变化,SDS 液滴接触半径 r 第 2 次为 0 表示液滴起跳,其他 3 种液滴第 2 次为 0 表示液滴完全蒸发.由图 4(e)可知,与水滴和 KCl 液滴相比,加入 SDS 后,初始液滴在热基底上的存在时间明显缩短(从2000ms 到500ms),这是因为 SDS 的加入提高了液滴的沸腾传热效率,使液滴蒸发所需时间显著降低.另一方面,水滴和 KCl 液滴与热基底的接触半径明显大于 SDS 液滴.这是因为在过渡沸腾状态,水滴和 KCl 液滴产生大量大气泡,与基底实现了更大面积的接触.SDS 液滴撞击热基底的动态过程,即产生二次液滴,与其他不同组分液滴存在明显区别.Chaves 等25报道了液滴过渡沸腾条件下另一类型的二次液滴形成的机理:气泡液膜爆炸导致射流破碎,二次液滴为气泡爆炸产生的微小液滴,即图 4(c)中的微小液滴溅射.而本文中二次液滴是指处于过渡沸腾的表面活性剂液滴,在蒸发的最后阶段,剩余液滴收缩为球形,脱离基底并起跳.SDS 液滴在过渡沸腾的最后阶段,产生二次液滴并起跳这一特殊现象十分有趣.为验证该现象在表面活性剂液滴中的普遍性,如图 5 所示,实验还选择了其他两种表面活性剂,即阳离子表面活性剂 CTAB 和非离子表面活性 TritonX-100,探究不同类型表面活性剂液滴的过渡沸腾的动力学过程.图 5(a)(c)展示了 3 种表面活性剂液滴撞击(a)(b)(c)(d)0 ms324.38 ms0 ms322.81 ms0 ms401.25 ms0 ms257.81 ms8.44 ms410.00 ms4.69 ms337.81 ms11.89 ms174.38 ms20.63 ms400.95 ms65.63 ms739.69 ms75.94 ms897.50 ms28.16 ms260.31 ms77.19 ms576.88 ms215.63 ms1321.25 ms267.50 ms1646.25 ms107.18 ms589.38 ms87.19 ms596.25 ms(e)0500100015002000012345610%Alcohol20%KClWaterSDS/ms/mm图44 种液滴过渡沸腾的过程(a)纯水液滴;(b)20%KCl 水液滴;(c)10%乙醇水液滴;(d)4CMCSDS 液滴.(e)4 种液滴接触半径随时间变化.SDS 液滴的 r 降为 0 指二次液滴起飞,其他液滴降为 0 代表液滴完全蒸发.标尺为 5mmFig.4.Transitionboilingprocessoffourdroplets:(a)Purewater;(b)20%KClaqueoussolution;(c)10%ethanolaqu-eoussolution;(d)4CMCSDSaqueoussolution.(e)Con-tactradiusofthefourdropletsvarieswithtime.TherofSDS droplet decreased to 0 indicated that the secondarydroplet took off,the other droplets indicated that thedroplets completely evaporated.The scale bar represents5mm.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)196801196801-4温度为 140 铝合金基底的过程.液滴撞击基底后铺展,伴随蒸发,剩余液体向顶部聚集,形成上层液体并被气泡托起,最终产生二次液滴并起跳.3 种类型的表面活性剂液滴撞击热基底后均产生了二次液滴,说明表面活性剂类型对二次液滴的起跳没有显著影响.图 5(d)为撞击后 3 种液滴的接触半径 r 的变化,r 第 2 次为 0 均表示液滴起跳.3 种表面活性剂液滴蒸发能力相近,因此,蒸发所需时间没有明显差异.不同浓度的表面活性剂液滴撞击温度为 140的铝合金基底,产生二次液滴的半径 R 如图 6 所示.二次液滴半径与表面活性剂浓度有关,当表面活性剂浓度低于 1CMC 时,SDS 和 CTAB 液滴的二次液滴半径随表面活性剂浓度的升高而增大,当浓度高于 1CMC 后,二次液滴的尺寸达到饱和.TritonX-100 液滴的二次液滴在 2CMC 以后才出现.3.3 二次液滴的产生机理为验证表面活性剂的起泡作用在二次液滴的形成过程中是否起主要作用,本文在 CTAB(4CMC)溶液中加入 0.4%体积分数的消泡剂,分析加入消泡剂后液滴撞击热基底的现象与未加入消泡剂时的区别.图 7(a)为 3 种 4CMC 表面活性剂溶液和 3 种 4CMC 表面活性剂溶液中加入消泡剂剧烈振荡 5 次的结果.所有溶液初始高度均为10mm,柱状图两种颜色分别为溶液的高度和振荡后产生泡沫的高度.未加入消泡剂前,表面活性剂溶液振荡后有大量气泡形成,其中 TritonX-100溶液振荡后气泡高度明显少于其他 2 种表面活性剂.加入消泡剂后,3 种溶液经过剧烈振荡后,只产生了少量气泡,并且气泡迅速溃灭.图 7(b)展示了添加消泡剂的 3 表面活性剂液滴撞击热基底的动态过程.与未加入消泡剂时相比,3 种表面活性剂液滴在蒸发过程中产生的气泡,数量减少且体积更大.另外,液滴蒸发时未在顶部聚集产生明显的上层液体,最终没有二次液滴产生.这些结果进一步肯定了表面活性剂对二次液滴的产生起着关键作用.012345600.20.40.60.8SDSCTABTriton X-100/CMC/mm图6二次液滴半径 R 随表面活性剂浓度的变化趋势Fig.6.Variation trend of the secondary drop radius withsurfactantconcentration.(a)(b)(c)112.50 ms50.75 ms70.63 ms31.08 ms0 ms0 ms87.19 ms77.19 ms0 ms20.63 ms596.25 ms576.88 ms257.81 ms400.95 ms14.07 ms595.31 ms590.63 ms450.00 ms585.94 ms10.12 ms240.81 ms224.13 ms112.58 ms130.85 ms(d)0100200300400500600CTABTriton X-100SDS/ms0123456/mm图5二次液滴形成(a)1CMC 的 SDS 液滴,140;(b)1CMC 的 CTAB 液滴,140;(c)4CMC 的 TritonX-100 液滴,140.(d)3 种液滴接触半径随时间变化.r 第2 次为 0 代表二次液滴起跳.标尺为 2mmFig.5.Formation of secondary droplets:(a)1 CMC SDSdropletsat140;(b)1CMCCTABdropletsat140;(c)4CMCTritonX-100dropletsat140.(d)Contactra-diusofthethreedropletsvarieswithtime,therofSDSdroplets decreased to 0 indicated that the secondarydropletstookoff.Thescalebarrepresents2mm.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)196801196801-5为进一步阐明表面活性剂分子对二次液滴形成的作用机制.图 8(a)展示了表面活性剂液滴撞击热基底的动力学过程.液滴撞击热基底后,三相接触线附近温度高于液滴顶部温度.因此,三相接触线附近表面活性剂溶解度增大,使得三相接触线附近的表面活性剂浓度明显大于液滴顶部浓度.因此,由浓度梯度导致的 Marangoni 对流使上层液体得以保持26.另外,表面活性剂的加入提高了气泡的形核率,使气泡尺寸降低27,28,大量小气泡的产生托起液滴,使液滴进入部分悬浮、部分接触的过渡状态29.在过渡沸腾的最后阶段,上层液体逐渐收缩为球形并处于悬浮状态.最终,上层的球形液滴起跳,脱离基底.加入消泡剂后,表面活性剂分子被消泡剂的油性小液滴(聚二甲基硅氧烷乳液)所吸附.因此,水相、液-固和液-气界面附近的表面活性剂分子,与未加入消泡剂时相比显著减少,无法形成明显的浓度梯度,极大程度上削弱了 Marangoni 效应(图 8(b).同时,由于大量表面活性剂分子被消泡剂液滴消耗,从而削弱了表面活性剂诱发气泡形核的作用,产生的气泡尺寸增大30.因此加入消泡剂后,无法产生显著的 Marangoni 流动,上层液体下沉,直至被热基底的发泡过程消耗用尽,最终无二次液滴产生.蒸发的最后阶段,底部小气泡的尺寸在 104m量级,气泡爆炸释放的能量可能为二次液滴起跳提供驱动力.在忽略黏性耗散的情况下,气泡表面能转化为二次液滴动能,即 S=12mv2,(1)S其中,为气泡的表面积,m 为液滴质量,v 为二次液滴初速.计算得到二次液滴初速约为 101m/s.而实验测得 4CMC 的 SDS、CTAB 和 TritonX-100 二次液滴起跳速度分别 0.14,0.16 和 0.10m/s,这与(1)式的估算结果一致.因此可以推断,气泡爆炸释放的能量直接导致了二次液滴起跳.为验证表面活性剂产生二次液滴这一现象是否普遍,本文对 3 种表面活性剂液滴撞击 140基底的实验均重复了 20 次,其中 SDS 液滴实验中有 18 次出现了二次液滴,CTAB 液滴出现 19 次,TritonX-100 液滴出现 12 次.因此,表面活性剂液滴在过渡沸腾状态下产生二次液滴具有良好的重复性.在撞击热基底及后续蒸发过程中,液滴总会出现沸腾发泡现象,能否在发泡过程中形成并保持气泡的上层液体,是出现二次液滴的关键.不管热基底的亲疏性如何,表面活性剂液滴落向基底后,三相接触线的温度都高于顶部,必然导致表面活性剂的浓度梯度和 Marangoni 效应,所以基底的亲疏水性对二次液滴的形成过程没有显著影响.另外,基底的导热性只影响液滴的过渡沸腾温度,但不影响产生二次液滴的动力学过程.基底的粗糙度可能影响气泡形核密度24,进而影响产生的气泡数量和尺寸,对二次液滴的起跳过程产生一定影响.(b)(c)(d)(a)0102030405060Height/mmFoamSolutionSDSCTABTriton X-100SDS+deformerTriton X-100+deformerCTAB+deformer0 ms653.44 ms0 ms188.50 ms739.06 ms47.50 ms15.0 ms249.0 ms770.88 ms146.88 ms74.0 ms323.50 ms779.69 ms343.75 ms126.0 ms425.0 ms0 ms9 ms41.5 ms75 ms260 ms342.5 ms402.5 ms690 ms图7表面活性剂液滴加入消泡剂(a)3 种表面活性剂溶液中加入消泡剂剧烈振荡的结果;(b)加入消泡剂的SDS 液滴撞击热基底;(c)加入消泡剂的 CTAB 液滴撞击热基底;(d)加入消泡剂的 TritonX-100液滴撞击热基底.标尺为 5mmFig.7.Additionofdefoamertosurfactantsolution:(a)Res-ult of three surfactant solutions added defoamer shakenvigorously;(b)SDSdropletwithdefoamerimpactedonthehotsubstrate;(c)CTABdropletwithdefoamerimpactedon the hot substrate;(d)Triton X-100droplet with de-foamerimpactedonthehotsubstrate.Thescalebarrepres-ents5mm.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)196801196801-64结论本文采用 SDS,CTAB 和 TritonX-100 三种表面活性剂,利用高速摄影技术对表面活性剂液滴撞击热铝合金基底的动力学现象进行了实验研究,得到以下结论:1)处于过渡沸腾的表面活性剂液滴,在蒸发的最后过程,会产生二次液滴并起跳.二次液滴起跳的驱动力是底部气泡爆炸产生的冲击力.2)表面活性剂种类和浓度影响液滴的 Leide-nfrost 温度.液滴撞击基底后,三相接触线的表面活性剂分子浓度大于液滴顶部.由浓度梯度驱动的 Marangoni 效应使上层液体得以保持,对二次液滴的形成起决定作用.3)当表面活性剂活性剂浓度小于 1CMC 时,SDS 和 CTAB 液滴产生的二次液滴半径随表面活性剂浓度升高而增加,最终达到饱和尺寸.本研究阐明了二次液滴形成过程中表面活性剂的作用,有助于更好地认识表面活性剂液滴撞击热基底动力学过程,为理解 Leidenfrost 效应的物理机制以及改进沸腾传热提供了参考.参考文献 ZhongLS,GuoZG2017Nanoscale962191ZangDY,TarafdarS,TarasevichYY,ChoudhuryMD,DuttaT2019Phys.Rep.80412MaLQ,ChangJZ,LiuHT,LiuMB2012Acta Phys.Sin.61054701(inChinese)马理强,常建忠,刘汉涛,刘谋斌2012物理学报610547013GirardF,AntoniM,SefianeK2010Langmuir2645764QurD2013Annu.Rev.Fluid Mech.451975Liang G T,Guo Y L,Shen S Q 2013 Acta Phys.Sin.62024705(inChinese)梁刚涛,郭亚丽,沈胜强2013物理学报620247056LS,TanHS,WakataY,YangXJ,LawCK,LohseD,SunC2021PNAS118e20161071187CossaliGE,MarengoM,SantiniM2008Int.J.Heat FluidFlow291678ShirotaM,vanLimbeekMAJ,SunC,ProsperettiA,LohseD2016Phys.Rev.Lett.1160645019TranT,StaatHJ,ProsperettiA,SunC,LohseD2012Phys.Rev.Lett.10803610110CelestiniF,FrischT,PomeauY2012Phys.Rev.Lett.10903450111LS,MathaiV,WangYJ,SobacB,ColinetP,LohseD,SunC2019Sci.Adv.5eaav808112Wu X W,Ni Y X,Zhu J,Burrows N D,Murphy C J,DumitricaT,WangXJ2016ACS Appl.Mater.Interfaces81058113ZhaoL,SeshadriS,LiangXC,BaileySJ,HaggmarkM,GordonM,HelgesonME,deAlanizJR,Luzzatto-FegizP,ZhuYY2022ACS Central Sci.823514Deformer(i)(iii)(ii)(iv)(v)(vi)(i)(ii)(iii)(a)(b)Mrangonieffect图8表面活性剂和消泡剂分子导致的液滴动态行为示意图(a)表面活性剂液滴撞击热基底的动态过程()下落的液滴;()液滴产生浓度梯度;()固液界面气泡生长;()气泡支撑上部液体;()剩余液体收缩为二次液滴;()二次液滴起跳.(b)添加消泡剂分子后的动态过程()单个消泡剂液滴吸附表面活性剂分子;()大液滴中的表面活性剂分子被消泡剂大量消耗,液滴表面无显著浓度梯度;()顶部液体无法聚集,箭头方向为 Marangoni 流动方向Fig.8.Schematicofdynamicdropletbehaviorcausedbysurfactantanddeformermolecules.(a)Dynamicprocessofsurfactantdropletimpactingonhotsubstrate:()Fallingdroplet;()formationofconcentrationgradient;()bubblesgrowthatthesolid-liquidinterface;()bubblesheldupthetopliquid;()theremainedliquidshrunkintosecondarydroplet;()thesecondarydropletdetachedfromthesubstrate.(b)Dynamicprocessafteraddingdefoamermolecules:()Asingledefoamerdropadsorbedsurfactantmolecules;()thesurfactantmoleculesinthelargedropletswereconsumedinlargequantitiesbydeformers,therewasnosignificantconcentrationgradientonthedropletsurface;()thetopliquidfailedtoaggregate.ArrowsshowedthedirectionofMarangoniflow.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)196801196801-7PrasadGVV,DharP,SamantaD2022Int.J.Heat MassTran.18912267515MorganAI,BromleyLA1949Ind.Eng.Chem.41276716Hetsroni G,Zakin J L,Lin Z,Mosyak A,Pancallo E A,RozenblitR2001Int.J.Heat Mass Tran.4448517ShamA,NotleySM2016J.Colloid Interface Sci.46919618WangJ,LiFC,LiXB2016Int.J.Heat Mass Tran.10180019KwonHM,BirdJC,VaranasiK2013Appl.Phys.Lett.10320160120HuangCK,CareyVP2007Int.J.Heat Mass Tran.5026921LiangGT,ShenSQ,GuoYL,ZhangJL2016Int.J.HeatMass Tran.1004822DenisR,ClanetC,QurD2002Nature41781123ZhangPP,PengBX,YangX,WangJM,JiangL2020Adv.Mater.Interfaces7200050124Chaves H,Kubitzek A M,Obermeier F 1999 Int.J.HeatFluid Flow2047025VakarelskiIU,PatankarNA,MarstonJO,ChanDYC,ThoroddsenST2012Nature48927426ZhangBJ,ParkJ,KimKJ2013Int.J.Heat Mass Tran.6322427AhnH,HwanKM2013Int.J.Air-Cond.Refrig.21128BertolaV2009Int.J.Heat Mass Tran.52178629ChengLX,MewesD,LukeA2007Int.J.Heat Mass Tran.50274430Marangoni effect of surfactant droplet in transition boilingand formation of secondary droplet*TangXiu-Xing1)ChenHong-Yue1)WangJing-Jing1)WangZhi-Jun2)ZangDu-Yang1)1)(MOE Key Laboratory of Material Physics and Chemistry under Extraordinary Conditions,School of Physical Science andTechnology,Northwestern Polytechnical University,Xian 710129,China)2)(State Key Laboratory of Solidification Technology,School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,China)(Received1June2023;revisedmanuscriptreceived18August2023)AbstractThedynamicprocessesofsurfactantdropletsimpactingontosubstratesofvariedtemperatureshavebeenwidelystudiedinheattransfer,coolingandprinting.Inthiswork,weobservetheimpactingprocessofaqueousdropletsofsurfactantsSDS,CTAB,andTritonX-100onahotaluminumplateviaahigh-speedcamera,inorder to study the dynamics of different surfactant droplets impacting on a hot aluminum substrate.Experimentally,itisdiscoveredthatthesurfactantdropletsintransitionboilingproduceasecondarydropletofnon-wettingstateinthefinalstageofevaporation.Theanalysisdemonstratesthatafterthedropletimpactsthesubstrate,atemperaturegradientiscreatedbetweenthetopofthedropletandthetriple-phasecontactline,increasingthesurfactantconcentrationnearthetriple-phasecontactlineascomparedwiththatofthetop.ThetopliquidismaintainedbytheMarangonieffect,whichiscause