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为什么沸腾的液滴会在热油性表面上奔跑

当您在煎锅中煎炸东西并且一些水滴落入锅中时,您可能已经注意到这些水滴在热油膜上四处飞溅。现在,麻省理工学院的研究人员首次分析和理解了这种看似微不足道的现象——并且可能对微流体设备、传热系统和其他有用的功能具有重要意义。

热表面上的一滴沸水有时会悬浮在薄蒸汽膜上,这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应。因为它悬浮在一个蒸气垫上,所以液滴可以在几乎没有摩擦的情况下穿过表面。如果表面涂有热油,其摩擦力比 Leidenfrost 液滴下的蒸气膜大得多,则热液滴的移动速度应该会慢得多。但是,与直觉相反,麻省理工学院的一系列实验表明发生了相反的效果:油滴上的液滴比裸金属上的液滴缩小得更快。

这种在加热的油性表面上推动液滴的速度比在裸金属上的速度快 10 到 100 倍,有可能用于自清洁或除冰系统,或推动微量液体通过所使用的微流体设备的细管用于生物医学和化学研究和测试。今天在《物理评论快报》杂志上的一篇论文中描述了这些发现,该论文由研究生 Victor Julio Leon 和机械工程教授 Kripa Varanasi 撰写。

在之前的研究中,瓦拉纳西和他的团队表明,有可能将这种现象用于其中一些潜在应用,但是产生如此高速度(大约快 50 倍)的新工作可以开辟更多新用途,瓦拉纳西说。

经过长时间的艰苦分析,Leon 和 Varanasi 能够确定这些液滴从热表面快速喷射的原因。在高温、油液粘度和油液厚度合适的条件下,油液会形成一层薄薄的斗篷,包裹在每个水滴的外面。随着液滴加热,沿液滴和油之间的界面形成微小的蒸汽气泡。因为这些微小的气泡沿着液滴的底部随机堆积,不对称性发展,气泡下方的摩擦力降低了液滴与表面的附着力,并将其推开。

油性薄膜的作用几乎就像气球的橡胶一样,当微小的蒸汽泡破灭时,它们会施加一个力,“气球只是飞走了,因为空气从一侧出去,产生了动量传递,”瓦拉纳西说。没有油斗篷,蒸汽气泡会从液滴中向各个方向流出,阻止自推进,但斗篷效应像气球的皮肤一样将它们固定在里面。

这种现象听起来很简单,但事实证明,它取决于发生在不同时间尺度的事件之间的复杂相互作用。

这种新分析的自喷射现象取决于许多因素,包括液滴大小、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。

在他们的实验中,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。因此,预计气泡的移动速度要比莱顿弗罗斯特效应的气垫慢得多。“这让我们了解到,这种液滴移动得更快是多么令人惊讶,”Leon 说。

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