蒸發驅動下兩液滴凍結時的聚結現象

核心概念

本研究採用潤滑近似法，首次從理論上探討了兩個揮發性液滴在冷卻基板上凍結過程中的相互作用，發現蒸發驅動的毛細流是導致液滴聚結的主要原因，而環境濕度和基板溫度則會影響聚結的速率。

摘要

研究背景

液滴凍結現象在食品工業、能源儲存、冷凍乾燥等領域具有重要意義，但也可能對航空器運行、船舶、食品儲存設施和風力發電等應用造成負面影響。

先前研究主要集中在單個液滴的凍結動力學，而實際情況下，多個液滴在凍結過程中會相互作用。本研究首次嘗試從理論上探討兩個揮發性液滴在冷卻基板上凍結過程中的相互作用。

研究方法

本研究採用潤滑近似法，考慮了蒸發和冷凝的影響，建立了描述液滴凍結過程的數學模型。通過數值模擬，研究了不同環境濕度和基板溫度下，兩個揮發性液滴在冷卻基板上凍結過程中的聚結現象。

研究結果

研究發現，當兩個揮發性液滴放置在冷卻基板上時，由於液滴間的蒸發通量不對稱，會產生毛細流，驅使液滴相互靠近，最終導致聚結。

環境濕度越高，蒸發通量越低，毛細流越弱，聚結速度越慢。基板溫度也會影響聚結現象，較低的基板溫度會促進凍結前沿的傳播，從而抑制聚結。

研究結論

本研究揭示了揮發性液滴在冷卻基板上凍結過程中的聚結機制，並探討了環境濕度和基板溫度對聚結動力學的影響。這些發現有助於更好地理解和控制液滴凍結過程，並為相關應用提供理論指導。

統計資料

初始液滴間距 d0 = 0.5。
無蒸發系統參數：RH = 1.0, χ = 0, ∆= 0, Ψ = 0, and Pev = 0。
有蒸發系統參數：RH = 0.9, χ = 1.6, ∆= 10−4, Ψ = 0.02, and Pev = 1。
其他無因次參數：Ste = 2.53 × 10−5, Tv = 1.0, An = 17.0, Dv = 10−3, Dg = 2.0, Ds = 0.9, ΛS = 3.89, ΛW = 0.33, Λg = 0.041, K = 8×10−4, Dw = 15.0, ϵ = 0.2, and ρveR = 1.0。

引述

"To the best of our knowledge, the present study is the first attempt to theoretically explore the interaction between two volatile drops undergoing freezing, employing the lubrication approximation while considering evaporation and condensation."
"Our findings suggest that when the freezing front propagation exhibits limited advancement and fails to restrict the contact line of the drops, rapid coalescence occurs between the two volatile sessile drops closely placed on a substrate."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Evaporation-driven coalescence of two droplets undergoing freezing

by Sivanandan K... 於 arxiv.org 11-20-2024

https://arxiv.org/pdf/2408.09827.pdf

深入探究

除了蒸發驅動的毛細流，還有哪些因素會影響液滴在凍結過程中的聚結？

除了蒸發驅動的毛細流，還有許多因素會影響液滴在凍結過程中的聚結，主要可分為以下幾類：
1. 熱力學因素:

過冷度 (Supercooling): 過冷度指的是液滴溫度低於凝固點的程度。過冷度越高，液滴凝固速度越快，越容易發生枝晶生長，進而促進液滴間的接觸和聚結。
接觸角 (Contact angle): 接觸角是液滴與基材接觸時形成的角度。接觸角越小，液滴越容易鋪展，增加液滴間接觸和聚結的可能性。
表面能 (Surface energy): 液滴的表面能會影響液滴的形狀和穩定性。表面能越低，液滴越容易聚結。
2. 傳輸現象:

熱傳導 (Heat conduction): 液滴凍結過程中會釋放潛熱，這些熱量會通過熱傳導傳遞到周圍環境。熱傳導速率會影響液滴的凍結速度和形狀，進而影響液滴的聚結。
質量傳遞 (Mass transfer): 液滴在凍結過程中，水蒸氣會在液滴表面凝結或蒸發，造成液滴間的質量傳遞。質量傳遞速率會影響液滴的尺寸和形狀，進而影響液滴的聚結。
3. 外部因素:

重力 (Gravity): 重力會影響液滴的形狀和運動，進而影響液滴的聚結。
電場 (Electric field): 電場可以誘導液滴產生偶極矩，進而控制液滴的運動和聚結。
聲場 (Acoustic field): 聲場可以產生聲輻射力，進而控制液滴的運動和聚結。

如果考慮液滴的形狀和尺寸分佈不均勻，聚結動力學會如何變化？

如果考慮液滴的形狀和尺寸分佈不均勻，聚結動力學將變得更加複雜，主要體現在以下幾個方面：

接觸面積 (Contact area): 形狀不規則的液滴接觸面積更難預測，這會影響液滴間的熱量和質量傳遞，進而影響聚結速率。
毛細力 (Capillary force): 液滴尺寸和形狀的不均勻會導致毛細力分佈不均勻，進而影響液滴的運動和聚結。
奧斯瓦爾德熟化 (Ostwald ripening): 尺寸較小的液滴更容易蒸發，而尺寸較大的液滴更容易凝結，這種現象稱為奧斯瓦爾德熟化。在液滴尺寸分佈不均勻的情況下，奧斯瓦爾德熟化會導致液滴尺寸分佈更加不均勻，進而影響液滴的聚結。
總體而言，液滴形狀和尺寸分佈的不均勻會導致聚結過程更加複雜，難以預測。需要藉助數值模擬或實驗方法來研究具體的聚結動力學。

液滴凍結過程中的聚結現象，對自然界和工程應用有哪些啟示？

液滴凍結過程中的聚結現象在自然界和工程應用中都具有重要意義，以下列舉一些例子：
1. 自然界:

雲的形成 (Cloud formation): 雲的形成過程中，水蒸氣會在微小的塵埃顆粒上凝結成小水滴，這些小水滴會通過聚結形成更大的雨滴或冰雹。
雪花的形成 (Snowflake formation): 雪花的形成過程中，水蒸氣會在冰核上凝結成冰晶，這些冰晶會通過聚結形成形狀各異的雪花。
凍土的形成 (Permafrost formation): 凍土的形成過程中，土壤中的水分會凍結，凍結過程中水滴的聚結會影響凍土的結構和力學性質。
2. 工程應用:

噴霧乾燥 (Spray drying): 噴霧乾燥是一種常用的工業生產方法，用於將液體原料乾燥成粉末。液滴在乾燥過程中的聚結會影響粉末的粒徑和形狀。
冷凍保存 (Cryopreservation): 冷凍保存是一種常用的生物樣本保存方法。在冷凍過程中，細胞內外會形成冰晶，冰晶的聚結會對細胞造成損傷。
防冰塗層 (Anti-icing coating): 防冰塗層可以防止水滴在表面凍結，其設計需要考慮液滴的聚結現象。
總之，液滴凍結過程中的聚結現象是一個複雜且重要的物理現象，對自然界和工程應用都有著廣泛的影響。對其深入研究有助於我們更好地理解自然現象，並開發出更高效、更可靠的工程技術。