Leidenfrost狀態之複合液滴的流場特徵與蒸發

Abstract

本研究針對Leidenfrost狀態之複合液滴，探討其內部的流場特徵與蒸發情形。複合液滴是由99%正庚烷之外殼液滴與水內核液滴所組成，放置在250°C之鋸齒狀的棘輪加熱表面上，使之因Leidenfrost狀態而懸浮。我們利用μPIV分別量測內核液滴與外殼液滴之內流場，並進一步結合蒸發率與界面處的剪力平衡，探討在Leidenfrost狀態下外殼液滴與內核液滴間的交互作用對其流場之影響機制。 本研究嘗試七種不同複合液滴體積的組合，外殼庚烷液滴的初始體積固定為50 μl，內核水液滴的體積則由5 μl變化至100 μl。由流場量測可驗證，複合液滴底部蒸氣層內之蒸氣流動在液氣界面所造成的剪力，為驅動外殼液滴內部流動之來源，庚烷流動所對應的剪力，接著再藉由水庚烷界面傳遞到內核液滴，使其內部產生流動。當內核水液滴體積小於30 μl時，複合液滴受到外殼庚烷表面張力小的影響而呈扁橢球狀，複合液滴與蒸氣膜之接觸面積雖然隨內核液滴體積增加而變大，但蒸氣膜厚變化不大，且外殼庚烷的蒸發速率較慢，使複合狀態維持時間長。此時，外殼液滴內存在一對旋轉方向相反的渦流對，由於內核液滴通常會偏向外殼液滴的某一側，故其存在會影響外殼液滴該側渦流的流場；而內核水液滴亦存在雙渦流，且其流態會隨內核液滴相對於外殼液滴的繞動而旋轉。反之，當內核水液滴體積超過30 μl時，複合液滴受到水液滴重力的影響變大而呈扁塌狀，複合液滴與蒸氣膜之接觸面積較大，且蒸氣膜厚隨內核液滴體積增加而急遽下降，造成外殼庚烷加速蒸發，進而縮短複合狀態維持的時間，此時受到大量沸騰氣泡自複合液滴底部之水-庚烷-空氣三相界面處生成之影響，內核與外殼液滴之內流場較為混亂。