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。