固定接触角液滴蒸发诱发的Marangoni对流斑图及-丘成桐中学科学奖.PDF

第一页为封面页 参赛队员姓名： 石心宇 中学： 重庆市南开中学 省份： 重庆市 国家/地区： 中国 指导教师姓名： 陈盛斌 论文题目： 固定接触角液滴蒸发诱发的 Marangoni 对流斑图及其机理分析 1 第二页为创新性申明 本参赛团队声明所提交的论文是在指导老师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。尽本团队所知，除了文中特别加以标注和致 谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果。若有不实之处，本人愿意承担一切相关责任。 参赛队员： 石心宇 指导老师： 陈盛斌 2017 年 9 月 12 日 2 第三页此处开始为论文的主体部分…… 固定接触角液滴蒸发诱发的Marangoni 对流斑图及其 机理分析 石心宇 重庆市南开中学 高2019 级19 班 摘要：平面上液滴蒸发在生产生活中司空见惯，如树叶上露珠的蒸发、杯壁上残 留咖啡液滴的蒸发等。然而，蒸发液滴内奇妙的Marangoni 对流斑图却鲜为人知， 这是一个十分有趣的热物理科学问题。为此，本文以水平基板上硅油液滴的蒸发 过程为研究对象，实验观察了液滴在固定接触角模式下蒸发诱发的Marangoni 对 流斑图，及其随蒸发过程的演变规律，研究了基板温度、润湿半径和接触角对它 们的影响。结果发现，对接触角为21.52° 的液滴，环境温度为25.49℃时，当基 板温度介于48.93℃~56.73℃时，液滴表面会形成稳定的“花瓣状”斑图，这种斑图 结构的形态在较短时间内维持不变。随着蒸发的进行，润湿半径减小，斑图结构 的涡胞数随之减少。基板温度越高，蒸发越快，涡胞数减小得也越快。甚为关键 的是，这些涡胞的外边缘呈圆弧形 （只有一个涡胞时整个涡胞为圆形），其形状 区别于平液层内的多边形涡胞，这是一个开创性的发现。当温度达到56.73℃ 以 后，Marangoni 对流转变为不规则振荡的斑图，液滴内不断有涡胞冒出来，冒出 的地方不固定，而是随机的，斑图结构因此看起来不再稳定，但涡胞的外边缘仍 呈圆弧形。随着蒸发的继续进行，润湿半径减小，总的涡胞数减少，但仍不时有 新的涡胞产生，直到润湿半径小于1.56mm 后不再有新的涡胞冒出，斑图形态趋 于稳定。接触角介于 16~24之间的实验发现，接触角越小，相同润湿半径时液 滴内涡胞数越多，但不同接触角下无量纲涡胞数N* 随无量纲润湿半径r*减小的 规律却相同，均满足函数关系N*=2.333 r*1.002，与接触角无关。数值模拟发现 液滴内流体都是由涡胞中心区域从液滴底部往上流动，然后流向涡胞边沿，最后 沿涡胞的分界线回流至液滴底部；涡胞波长与厚度之比为3.0 左右。数值模拟表 明蒸发液滴内 Marangoni 对流涡胞为 Bénard-Marangoni 对流涡胞，阐明了 Marangoni 对流涡胞的物理机理。值得强调的是，过去百余年来，科学家们对平 3 液层在法向温度梯度、切向温度梯度作用下的Marangoni 对流开展了大量卓有成 效的研究，提出了耗散结构理论，促进了非平衡热力学的发展，但缺乏对固定接 触角蒸发模式下液滴蒸发诱发的Marangoni 对流斑图结构的了解，本文通过巧妙 的实验观察，开创性的发现了圆弧形的Marangoni 对流涡胞，清楚地揭示了固定 接触角蒸发模式下液滴蒸发诱发的 Marang