Управляемые капли на нагреваемых концентрических микроканавках

Jun 13, 2023

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3141 (2022) Цитировать эту статью

3854 Доступа

8 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Направленный капельный транспорт имеет большое значение в различных технологиях управления водой и температурой. Однонаправленный перенос капель на горячей поверхности получил широкое распространение, но двунаправленный реверс по-прежнему остается сложной задачей. Здесь мы сообщаем об управляемом транспорте капель, сталкивающихся с нагретыми концентрическими массивами микроканавок, в которых направленность транспорта капель определяется режимами кипения капель. В переходном состоянии кипения движущая сила возникает из-за разницы давлений Лапласа, создаваемой микроканавками, что позволяет капле отскакивать к центру кривизны. В состоянии пленочного кипения между канавками и проникшей жидкостью создается результирующая сила, направленная на противоположную сторону, которая отталкивает каплю далеко от центра кривизны. Наши экспериментальные и теоретические результаты показывают, что боковое смещение контролируется как числом Вебера, так и расстоянием от центра. Эти результаты укрепляют наше фундаментальное понимание динамики воздействия капель при высоких температурах и имеют важное значение для эффективного охлаждения ядер горячих точек и капельного просеивания.

Исправление переноса капель на горячих поверхностях представляет как фундаментальный интерес, так и практическое значение для распылительного охлаждения1,2, снижения сопротивления3,4,5 и выработки электроэнергии6,7. В последние годы особое внимание уделялось температуре поверхности выше так называемой точки Лейденфроста, где капля левитирует на собственном слое пара. В отличие от условий окружающей среды, где выпрямление капли достигается за счет использования градиентов поверхностной энергии и часто затрудняется пиннингом линии контакта, в этом состоянии Лейденфроста лежащий под ним паровой слой капли позволяет устранить пиннинг линии контакта и, соответственно, связанное с ним межфазное трение. . Поэтому были разработаны различные асимметричные структуры, такие как макро- или наноразмерные храповики, для реализации однонаправленного транспорта капель в состоянии Лейденфроста, возникающего в результате напряжения сдвига, создаваемого асимметричным выбросом пара8,9,10. Однако нижележащий паровой слой капли, который обеспечивает незначительное межфазное трение, также вызывает огромное сопротивление теплопередаче, что препятствует эффективному управлению температурой.

Распылительное охлаждение, являющееся важным методом охлаждения во многих устройствах управления температурным режимом, может выделять тепло устройств за счет бурного испарения капель. Переходный контакт падающей капли с горячей поверхностью сопровождается переходным фазовым переходом и интенсивной вибрацией. Таким образом, падающая капля обеспечивает случайное направление вместо полного испарения на месте, что приводит к неудовлетворительной эффективности охлаждения. Более того, распределение температуры на горячих поверхностях имеет тенденцию быть асимметричным из-за случайного переноса капель, что, в свою очередь, вызывает тепловой эффект Марангони11,12. Недавно исследователи предположили, что исправление направленного падения в предпочтительную область для улучшения теплопередачи может быть достигнуто на прямых массивах столбов с градиентом плотности1 и столбах с регулярным рисунком со структурами в виде гриба Януса13. Однако во всех этих исследованиях направление транспортировки капель не является управляемым для конструкции с фиксированной поверхностью, и движение капель трудно контролировать количественно, хотя направления движения очевидны. Более того, устранение однонаправленных падений основано на тщательно продуманной конструкции структуры поверхности и тщательном контроле конкретного места падения капли. Таким образом, контролируемое векторирование падения на горячих поверхностях остается большой проблемой.

В этом исследовании мы разрабатываем концентрические массивы микроканавок для достижения двунаправленной транспортировки капель за счет регулирования температуры поверхности, что выходит за рамки традиционных способов реализации однонаправленной транспортировки капель с помощью химического градиента14,15, храповых механизмов8,10 и кривизн16,17. Ударная капля переносится к центру кривизны при температурах ниже точки Лейденфроста, а в направлении, далеком от центра кривизны, при температурах выше точки Лейденфроста, т. е. направление переноса капли определяется синергическим действием структуры поверхности и кипения. состояния. Простое масштабирование показывает, что расстояние бокового переноса при падении зависит от числа Вебера и расстояния от центра между местом удара и центром кривизны. Кроме того, мы демонстрируем, что эта универсальная и надежная стратегия может быть применена в высокоэффективной термопередаче и капельном просеивании.