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研究背景与发表信息

这项研究题为“Film levitation and central jet of droplet impact on nanotube surface at superheated conditions”（液滴撞击纳米管表面在过热条件下的薄膜悬浮与中央射流），由Dongdong Zhou, Yuhui Zhang, Yu Hou, Xin Zhong（西安交通大学多相流动动力工程国家重点实验室）与Jian Jin, Lidong Sun（重庆大学机械传动国家重点实验室，材料科学与工程学院）共同完成，并于2020年10月发表于《Physical Review E》，卷102，编号043108。这项研究深入探讨了高温纳米管表面影响液滴撞击动力学和Leidenfrost效应的机制与特点。

研究背景与目的

液滴在高温表面的撞击现象普遍存在于热传输技术领域中，包括燃料喷射、蒸汽轮机和电子冷却等应用。从已经广泛研究的Leidenfrost效应（液滴在超高温表面上由于蒸汽层悬浮而减少热传输效率的现象）来看，该现象的温度门槛称为Leidenfrost点，其出现通常伴随热传递的吸收力显著降低，影响热交换设备的功能。因此，研究如何推迟Leidenfrost点，提升效率，无疑具有重要意义。此外，高Weber数（描述流体惯性与表面张力之比）和表面微纳米结构，如纳米管，也被认为对液滴动力学具有深刻影响。

本研究的主要目的是探讨纳米管结构如何通过改变液滴蒸发和动力学行为来显著提高Leidenfrost点温度，同时揭示五大液滴撞击状态的演变机制。这些状态分别是接触沸腾、薄膜悬浮、中央射流悬浮、中央射流及Leidenfrost效应。

研究方法与实验过程

实验装置与材料

研究采用了一套先进的实验装置，包括高质量的高速摄像机、针头型注射泵、K型热电偶测温装置与加热模块（通过铜支架传热并使用岩棉层隔热）。纳米表面构造基于二氧化钛(tiO2)纳米管，通过阳极氧化工艺获得。而初始液滴材料为纯乙醇，实验在大气压力和接近室温的21±1°C基础上进行。

纳米管的几何参数经扫描电子显微镜(SEM)测量，显示其平均内半径、外半径和高度分别为24 ± 3.5 nm、31.5 ± 3.5 nm与1.62 ± 0.12 μm。液滴初始直径为1.62 ± 0.02 mm，撞击速度(v0)通过调节针头与表面的距离控制，Weber数计算范围从16到144。

实验过程

实验设计了两个对照组：一组为覆盖二氧化钛纳米管表面（NTS），另一组是平直钛金属表面（PTS）。液滴撞击过程从其与高温表面接触的一瞬间 (t=0ms) 记录，以一秒21,600帧的速度从侧面捕捉全程变化。通过观察，研究人员记录不同Weber数和表面温度下液滴的铺展、回弹、蒸发行为以及伴随的加热现象。

总流程包括： 1. 调控铜基座表面温度（从室温到300°C），在不同温度下记录液滴状态。 2. 比较表面纳米寻常钛表面之间的液滴动力学区别。 3. 对液滴薄膜悬挂、中央射流及Leidenfrost点的关键行为进行更深层次分析。

数据分析方法

在液滴动态蒸发、流体动力学分析中，研究引入了归一化接触时间(t̃ct)与区域特征参数，以揭示不同实验条件下与Leidenfrost效应相关的关键依赖关系。此外，结合分析计算了其他热传输与蒸发参数（例如潜热、中央喷流动力及蒸汽压强等）。

研究结果与分析

研究结果揭示了五种液滴撞击的关键状态及其演化机制： 1. 接触沸腾 (CB)：在低温范围(约160°C)中，液滴初始接触表面镜头显示大量气泡形成。 2. 薄膜悬浮 (FL)：温度稍高（170°C），发生微小挥发表面热蒸气撑起薄膜。 3. 中央射流悬浮 (CJL)：表面温度更高（>200°C）时，薄膜悬浮增强的同时，在液滴中央形成明显中央喷流。 4. 中央射流(CJ)：约240°C以上，液滴中央气流压力加剧使液体重新破碎贯流形成射流。 5. Leidenfrost效应：高温环境（>280°C下），液滴与表面完全隔绝，表现为经典的悬浮“弹跳”行为。

液滴行为机制总结：

• 低温下的液滴蒸发主要由接触区域产生的热量贡献，而较高温度纳米管作用增强了液体毛细渗透（hemiwicking）效应，从而加速了液滴加热蒸发过程。
• 随温升高表，薄膜悬浮和中心喷射强度先增加，后减少；原因是升温所致大量蒸汽逸散。

Leidenfrost点提升：

在相同Weber数下，相比普通钛表面，纳米管显著推迟Leidenfrost临界温度。例如低Weber数条件推迟约50°C，200°C上升至至少125°C。

研究结论与价值

本研究首次系统揭示了纳米管表面对液滴动力/热传递行为的调控机制。基于此，可在以下方向具有里程碑意义： - 纳米技术应用：基于提高Leidenfrost点技术，有助更高效冷却系统。 - 热传输效率提升：通过推迟临界温度，改善冷却流体与表面接触换热效率。

研究突破了经典Leidenfrost领域模型局限，尤其在中高温超整理热交换设备增益潜力具较广外延意义。

研究亮点

本研究的重要发现包括： 1. 精确揭示纳米管如何通过蒸发调控液滴行为。 2. 开创性提供薄膜悬浮与中央射流成因的物理依据。 3. Leidenfrost点温区显著推迟，提供热工程技术革新方向。

展望

通过以上研究，借助设计启示实际落地液冷设备可行性。这为未来高温能源材料蒸汽多孔纹理设计提供崭新基石。