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【创新在大工】机械工程学院科研团队在表面结构调控莱顿弗罗斯特效应方面取得突破

2024-05-30

近日,我校机械工程学院赵磊副教授与弗吉尼亚理工大学程江涛教授合作,在《自然·物理》(Nature Physics)发表题为“微结构表面静置液滴的低温类莱顿弗罗斯特弹跳(Low-temperature Leidenfrost-like jumping of sessile droplets on microstructured surfaces)”的研究论文。

莱顿弗罗斯特效应(Leidenfrost effect)是液体接触高温表面时在其底部产生一层蒸汽使其被托起并悬浮的现象,决定了液体在高温表面的运动状态和传热特性。现有研究认为,产生莱顿弗罗斯特效应,即蒸汽驱动液体悬浮,需要较高的热量输入以维持230 ℃左右的表面高温。

该研究突破了传统莱顿弗罗斯特效应的限制,仅需130 ℃表面温度即可实现蒸汽驱动的液体快速悬浮(1.33 ms)。本研究在固-液-汽三相界面复杂热质传递过程中,发现了表面微结构、蒸汽泡扩张、热边界层形成及液体悬浮之间的有序关联,并结合实验现象、理论分析与传热仿真揭示了热边界层内部蒸汽泡的惯性驱动扩张与热边界层主导的蒸汽泡传热受限扩张的机理。进一步,通过改变微柱阵列的高度控制水滴在恒定能量的莱顿弗罗斯特快速悬浮和恒定速率的振荡弹跳之间切换。

装备表面常引入微肋片、微凸起等微结构以实现强化传热和减阻等功效,而沉积在微结构深处的杂质对其安全高效运行带来极大挑战。采用水射流等方式可以迫使水进入表面结构深处以溶解杂质,但是咖啡环效应导致其干燥后仍具有较多杂质残留;高温状态的莱顿弗罗斯特效应可以消除咖啡环效应,但是蒸汽层的存在却使得水难以进入结构深处。基于该工作的低温可控莱顿弗罗斯特效应可利用加热升温后的蒸汽使结构深处沉积物脱落悬浮,并随液滴自发从表面脱离,为结构表面深度清洁开辟了新的途径。

《自然·物理》致力于发表理论物理、应用物理以及物理学相关领域最高质量和最重大的研究成果,为《自然》(Nature)旗下知名度最高、影响力最大的子刊之一。赵磊与程江涛教授为该论文共同通讯作者,该研究得到了国家自然科学基金青年科学基金项目资助。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41567-024-02522-z

来源:机械工程学院
编辑:王一婷 常思萌