声悬浮双组分液滴蒸发过程:传质与传热特性
在喷雾冷却、喷墨打印、燃料燃烧乃至病毒传播等自然与工业场景中,液滴蒸发是一个普遍却复杂的核心过程。尤其是多组分液滴,其蒸发过程涉及多组分耦合、热质传递、声场干扰等多重复杂机制,一直是流体力学与传热传质领域的研究热点与难点。
接下来,本文将为大家展示相关研究团队通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了不同初始浓度配比的乙醇—水球形液滴在声悬浮场中的蒸发特性。利用成像技术与红外测温方法获取液滴体积及表面温度的变化规律,以反映其传质与传热特性。基于理论模型引入修正参数开展数值模拟,以考虑声场的影响。计算结果与实验数据吻合良好。基于数值结果进一步分析了液滴内部的浓度分布与温度分布。
实验装置与材料

图 1:(a)控温、控湿条件下声悬浮液滴蒸发实验装置示意图。(b)CCD 相机拍摄的悬浮液滴图像,其中 a 为投影椭圆的长轴,b 为短轴。(c)红外相机获取的温度场。比例尺为0.5mm。
本研究的实验装置如图1(a)所示。实验采用同轴式声悬浮装置,由压电晶体换能器(工作频率20.5kHz)与反射板组成,可产生具有五个波节的驻波声场。采用CCD相机(Ximea XiD)结合背光照明拍摄液滴在蒸发过程中的体积变化;通过高透过率锗玻璃窗口(透过率0.95),使用红外相机—Telops FAST L200(如图2所示)测量液滴表面温度变化。图1(b)与图1(c)分别为CCD与红外相机拍摄的图像。红外测量结果采用水浴控温的液体表面进行标定。测量液滴表面温度时,将目标温度取为液滴区域内的最低温度。

图2:Telops FAST L200
结论
在此次研究中,团队选用Telops Fast L200记录整个液滴滴落及蒸发过程,并记录了整个温度场的分布及过程中温度的变化。
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