Каплевое испарение соленой воды является фундаментальным физико - химическим явлением, которое имеет ключевое применение в таких областях, как технология разделения, опреснение морской воды и кристаллическая инженерия. Во время испарения внутри капли образуется сложный поток, который определяет окончательное распределение и кристаллическую форму растворенного вещества. Потоки внутри капли в основном контролируются двумя ключевыми механизмами: конвекцией Райли, управляемой разностью плотности, и эффектом Марангони, управляемым градиентом поверхностного натяжения. Тем не менее, взаимодействие и доминирующее преобразование этих двух механизмов в различных тепловых условиях интерфейса по - прежнему не имеют систематических количественных исследований. Поэтому глубокое понимание этих внутренних механизмов течения имеет решающее значение для достижения точного контроля за кристаллическими осадочными формами.

В последнее время,Профессор Хэ Гаохун и команда профессора Цзян Сяобина из Национальной ключевой лаборатории тонкой химической промышленности Даляньского технологического университета, передового научного центра интеллектуальных материаловМеждународные журналы в области химической промышленности«Химическая инженерная наука»Опубликовано под названием«Переходы потока в испаряющихся каплях соленой растворы: взаимодействие между конвекцией Рейли и эффектами Марангони»Исследовательские работы.

В исследовании, сочетающем систематические эксперименты с моделированием вычислительной гидродинамики (CFD), подробно исследуются внутренние механизмы циркуляции во время испарения соляных капель в различных геометрических конфигурациях и тепловых условиях. Исследования выявили различные циклические модели, контролируемые взаимодействием конвекции Райли и эффекта Марангони.Среди них исследовательская группа использовала технологию микростереолитографии (P - мкSL) с прецизионной поверхностью Мофана (nanoArch) ® S140 Pro， Точность: 10 мкм) Система 3D - печати готовит микроплатформу для капель.

Исследование показало, что при комнатной температуре внутренняя часть капли в основном управляется конвекцией Райли, а размер ее контактных щупальца определяет окончательную форму осаждения: краевые осадки образуются при температуре менее 90°, а центральные - при температуре выше 90°. Благодаря точному регулированию температуры исследования достигли фундаментального изменения внутреннего режима потока. Ключевым открытием является то, что, когда разность температур превышает определенный критический порог, эффект Жемарангони подавляет конвекцию Райли, что приводит к развороту режима потока. Кроме того, коэффициент теплопередачи интерфейса твердой жидкости также оказался ключевым параметром доминирующего механизма регулирования потока, значение которого ниже 10 Вт / м2.К, поток доминирует в конвекции Райли; В диапазоне 100 - 1000 Вт / м2.К доминирует эффект Жемарангони. В конце концов, работа построила синтетическую фазовую диаграмму, основанную на безразмерных числах Райли (Ra) и Марангони (Ma), которая обеспечивает мощный количественный инструмент для прогнозирования и контроля переходов в состоянии потока в различных условиях испарения, тем самым закладывая теоретическую основу для точного управления морфологией осаждения кристаллов с помощью терморегуляции интерфейса.

Чтобы обеспечить точность моделирования, команда разработала систему синхронного представления, включающую оптические и инфракрасные тепловидения (рисунок 1), и тем самым проверила модель CFD. Как показано на рисунке 2, результаты моделирования в значительной степени согласуются с экспериментальными данными по таким ключевым параметрам, как геометрическая эволюция капель, распределение температуры в интерфейсе и внутреннее поле течения. Например, относительная разница между моделированием и экспериментальным распределением температуры в интерфейсе составляет всего 005114%, что полностью подтверждает надежность числовой модели.

Исследования показывают, что угол контакта капель является ключевым фактором, определяющим структуру течения и окончательную форму осаждения (рис. 3). Когда угол контакта составляет менее 90°, максимальная скорость испарения появляется на трехфазной контактной линии, которая управляет потоком по часовой стрелке, в котором доминируют конвекция Райли и эффект Марангони растворителя, который в конечном итоге образует « кофейное кольцо» отложения. Когда угол контакта превышает 90°, скорость испарения переходит к вершине капли, вызывая двойной циркуляционный поток сверху по часовой стрелке и снизу против часовой стрелки, эта уникальная структура поля потока приводит к скоплению кристаллов в центральной области.

Радиус контакта капли также влияет на процесс кристаллизации (рисунок 4). Исследование показало, что при углу контакта 120° при увеличении радиуса контакта внутренний градиент концентрации, вызванный эффектом плавучести, усиливается. Более длинный циклический путь обеспечивает достаточное время поглощения раствора для ядра кристалла, что помогает формировать более крупные кристаллы, что подтверждается как аналоговыми, так и экспериментальными снимками сканирующих зеркал.

Регулируя тепловые пограничные условия, можно активно контролировать внутренний поток (рис. 5). Исследование показало, что интерфейсный коэффициент теплопередачи (h) является ключом к определению режима потока, а низкий коэффициент теплопередачи (h < 10 W / m2.K) способствует поддержанию потока по часовой стрелке, в котором доминирует конвекция Райли. Когда коэффициент теплопередачи увеличивается до диапазона 100 - 1000 Вт / м2.К, разница температур, вызванная подогревом фундамента, достаточна для того, чтобы эффект Жемарангони перевешивал другие эффекты, изменяя режим потока в обратный цикл по часовой стрелке.

В условиях нагрева внутренний поток претерпевает динамический переход от доминирования Райли к доминированию Марангони (рисунок 6). Исследование точно количественно оценило критическую разность температур, возникающую при этом переходе, которая составляет 0,94 K для капель под углом контакта 120°, в то время как для капель под углом контакта 60° требуется более высокая разность температур (1,34 K) для достижения разворота из - за более сильного эффекта Марангони растворителя. Этот вывод дает количественное руководство по точному регулированию внутреннего потока с помощью температуры.

Чтобы систематически прогнозировать состояние потока в различных условиях, команда построила диаграмму потока на основе безразмерных чисел Райли (Ra) и Марангони (Ma) (рис. 7). Эти диаграммы четко разграничивают области переходного потока, в которых доминирует Райли (розовая область), Малангони (голубая область) и оба вместе. Как показано на рисунке 8, границы перехода между различными состояниями течения могут быть точно описаны степенными правовыми отношениями, что обеспечивает мощный инструмент для количественного контроля внутреннего потока капель.

Это исследование систематически раскрывает механизмы конкуренции и синергии между конвекцией Райли и эффектом Марангони в испарительных соляных каплях и обнаруживает, что геометрия капель и условия тепловой границы оказывают решающее влияние на внутреннюю циркуляцию и окончательную кристаллизацию.Исследование выявило соответствие между моделями течения под различными углами контакта и формами осаждения: « кофейные кольца» образуются при температуре менее 90°, а централизованные осадки образуются при температуре выше 90°. Кроме того, исследование количественно оценило влияние тепловых условий на режим потока и определило диапазон критических перепадов температур и коэффициентов теплопередачи интерфейса для достижения доминирования эффекта Жемарангони. Окончательная фазовая диаграмма Ra - MA обеспечивает надежный инструмент для прогнозирования циклических режимов в различных тепловых и геометрических условиях. Эти результаты обеспечивают теоретическую основу для оптимизации процесса испарительной кристаллизации путем точного регулирования условий интерфейса и имеют потенциал применения в таких областях, как кристаллизация белков, химические микрореакторы и платформы биоанализа.