静电环境下壁面固着多液滴蒸发实验研究

邓杰文; 张福强; 南雪燕; 于仔康

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506541

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (24) :10414-10423 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506541

能源与动力工程

静电环境下壁面固着多液滴蒸发实验研究

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Experimental Investigation of Multiple Sessile Droplet Evaporation on a Surface under Electrostatic Fields

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摘要

为探究多液滴在高压电场下的蒸发。通过高压直流电场下的可视化实验系统,考察了静电环境中壁面固着多液滴的蒸气屏蔽效应。实验系统性地探究了液滴间距比(L/R,其中L为相邻两端液滴之间的中心距,R为液滴接触半径)、盐浓度梯度及均匀/非均匀静电场对中心液滴蒸发的影响。结果表明:蒸气屏蔽效应显著延长中心液滴蒸发时间,L/R=5.36时中心液滴存在时间较L/R=8.73时中心液滴延长26.9%,该效应源于液滴间蒸气扩散区域重叠形成的局部高湿度区,抑制蒸发通量。静电场调控机制呈现距离依赖性:均匀电场中,近距离液滴(L/R=4.5)在5 kV电压下中心液滴蒸发速率提升21.06%,而远距离(L/R=8.9)中心液滴蒸发则抑制14.0%;在非均匀电场中,离子风可破坏蒸气屏蔽层。在中心液滴受蒸汽屏障效应显著影响时加压,能使中心液滴蒸发速率趋近单液滴,能耗降低15.54%。

Abstract

In order to explore the evaporation of multiple droplets under high voltage electric field. The vapor-shielding effect of multiple droplets fixed on the wall in an electrostatic environment was investigated by a visual experimental system under a DC electric field. The effects of droplet spacing ratio (L/R,where L is the center distance between adjacent droplets at both ends, and R is the contact radius of droplets.), salt concentration gradient, and uniform/non-uniform electrostatic field on the evaporation of central droplets were systematically investigated. The results show that the vapor-shielding effect significantly prolongs the evaporation time of the central droplet. The lifetime of the central droplet with L/R=5.36 is 26.9% longer than that with L/R=8.73. This effect is due to the local high-humidity region formed by the overlap of the vapor diffusion regions between droplets, which inhibits the evaporation flux. The electrostatic field regulation mechanism is distance-dependent: in a uniform electric field, the evaporation rate of the central droplet at a close distance (L/R=4.5) increases by 21.06% at a 5 kV voltage, while the evaporation of the central droplet at a long distance (L/R=8.9) is inhibited by 14.0%. In a non-uniform electric field, the resulting ion wind can disrupt the vapor-shielding layer. When the central droplet is substantially influenced by the vapor-shielding effect, applying pressure can increase its evaporation rate to levels comparable to that of a single droplet, while reducing energy consumption by 15.54%.

Graphical abstract

关键词

多液滴蒸发 / 蒸气屏障效应 / 静电场 / 电场强化 / 离子风

Key words

multiple droplets evaporation / vapor-shielding effect / static electric field / electric field intensification / internal flow

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邓杰文, 张福强, 南雪燕, 于仔康. 静电环境下壁面固着多液滴蒸发实验研究[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(24): 10414-10423 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506541

DENG Jie-wen, ZHANG Fu-qiang, NAN Xue-yan, YU Zi-kang. Experimental Investigation of Multiple Sessile Droplet Evaporation on a Surface under Electrostatic Fields[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(24): 10414-10423 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506541

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液滴在基板表面的蒸发是一种普遍存在的物理现象,在核反应堆冷却、3D打印和医疗诊断等领域均具有重要应用价值^[1-5]。在海水淡化与废水处理过程中,为实现溶质与水的高效分离,常采用雾化方式将待处理液体分散为大量微液滴,借助液滴蒸发、蒸汽冷凝及热量传递的耦合作用完成净化过程。然而,现有蒸发系统仍面临较高的能耗挑战,亟须通过对多液滴蒸发机理的深入研究,揭示其传热传质规律,从而优化关键操作参数并提升能效。

针对单液滴蒸发行为的研究已积累了丰富的理论与实验成果。早在20世纪初,Langmuir^[6]指出,液滴蒸发主要受气液界面附近的蒸气扩散控制,界面处水蒸气浓度梯度显著,蒸发速率可通过Fick扩散定律描述。随后,Picknett等^[7]系统总结了固着液滴蒸发的3种典型模式:恒定接触半径模式 (constant contact radius,CCR),即液滴基底保持固定,接触角减小;恒定接触角模式(constant contact angle,CCA),即随着液滴基底收缩,接触角保持不变;以及混合模式。在此基础上,Thompson等^[8]于1989年提出了黏滑模式(stick-slip mode,SS),涉及接触线的间歇性钉扎和去钉扎的混合模式。Popov^[9]建立了修正的D²蒸发模型,进一步完善了对液滴蒸发动力学的定量描述(D为液滴的直径)。

然而,早期研究多集中于孤立液滴体系,忽略了实际工况中液滴间的耦合传热传质效应,导致多液滴蒸发行为存在显著的不确定性。在多液滴体系中,液滴间存在显著的蒸发竞争机制^[4]。当液滴间距较小时,邻近液滴产生的蒸汽会在局部区域积聚,导致环境蒸汽浓度升高,进而抑制蒸发速率,该现象被称为“屏蔽效应”^[10]。近年来,学者们针对这一竞争机制开展了大量实验研究,证实屏蔽效应的抑制作用随液滴间距的减小而增强^[11]。在此基础上,Carrier等^[12]探讨了不同尺度液滴的蒸发机制及集体效应,指出对于半径(R)<20 mm的小液滴(如球冠状),蒸发速率受水蒸气扩散主导,且与液滴线性尺寸投影半径(R_d)成正比。这种屏蔽效应不仅改变热质传递速率,还影响了液滴内部的流动结构。Lee等^[13]利用粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PIV)观测多液滴的内部流场,发现蒸气屏障抑制了中心液滴的蒸发通量,并据此建立了相应的蒸发速率预测模型。针对规则排列的多液滴体系,Hatte等^[14]进一步构建了理论模型,定量揭示了阵列中中心液滴的蒸发寿命演变规律。

为深入揭示外部环境对液滴蒸发的影响,研究人员通过实验模拟等手段研究了液滴表面的马兰戈尼流现象^[15]。研究表明,基底温度、环境参数及表面润湿性等因素通过改变气液界面的能量与物质输运特性,显著影响蒸发行为^[16-19]。Chen等^[20]采用晶格玻尔兹曼法(lattice Boltzmann method,LBM)耦合电场-温度场,揭示了蒸发速率变化源于内部流场重构,为液滴蒸发的精确调控提供了理论依据。Kang等^[21]进一步量化固着液滴瞬态演化中热毛细对流、蒸发冷却及自然对流的竞争效应。Gibbons等^[22]系统比较了亲水与疏水基底上的液滴蒸发规律,阐明了界面润湿性对传热传质路径的决定性作用。

综上所述,现有研究多集中在单一液滴或简化系统的蒸发行为,未考虑多液滴系统的蒸气屏障效应。虽然Lee等^[13]证实了该效应对液滴内部流场及蒸发速率的抑制作用,但关于其主导影响因素及屏障破坏机制仍缺乏深入探讨。尽管液滴蒸发研究已取得显著进展,但目前针对多液滴蒸气屏障效应的形成机制、影响因素及调控策略方面尚未形成系统的理论体系。特别是外部物理场(如静电场)对多液滴蒸气屏障的影响仍鲜有报道。鉴于此,通过对比多组分中心液滴与单液滴的自然蒸发速率等,探究多液滴蒸发过程中蒸气屏障效应的形成机制及影响因素,重点关注外加静电场和周围盐水液滴等外部条件的作用,以期为优化多液滴蒸发过程提供理论依据。

1 实验过程

实验装置如图1(a)所示。在恒温干燥箱中放置的亚克力板箱子(10 cm×10 cm×10 cm)中进行实验。实验用5 μL的液滴作为研究对象进行蒸发,液滴蒸发平台采用光滑纯铜片。试验段采用针-板电极(高压直流电源与上端针电极0.125 mm相连(正极),下接铜板电极并接地)、板-板电极(高压直流电源与上端板电极,下接铜板电极并接地)构成高压静电系统。具体实验流程如图1(b)所示,准备纯水与制备盐水备用,然后使用移液枪将液滴滴在铜板上进行实验。

实验工况如表1所示,采用移液枪(最小刻度0.5 μL),将工质(纯水、含NaCl溶液)滴至基板上,控制初始液滴体积(5 μL)。使用CCD (Charge-Coupled Device) 相机(分辨率1 920×1 080像素)和微距镜头(放大倍率0.7×~4.5×)捕捉液滴侧面轮廓,在液滴蒸发过程中测量蒸发过程中液滴与平台的接触直径、高度、接触角等参数。

2 结果与分析

2.1 无序三液滴蒸发

考虑三液滴阵列下中心液滴的蒸发特性。满足如图排列方式的液滴称为无序三液滴排列^[2]。讨论不同L/R对中心液滴蒸发的影响,两端不同盐浓度液滴对中心液滴蒸发的影响(L为两端液滴之间的中心距, R为单个液滴接触半径,L/R为相邻液滴中心距与单个液滴接触半径的比值,该无量纲数常用于表征多液滴阵列中液滴之间的相对间距)。通过对比分析进行评估,进而对多液滴蒸发理论建模提供实验参考。

2.1.1 液滴间距对中心液滴蒸发的影响

Bond数决定了重力和表面张力的相对重要性^[23],其计算公式为

(1)

$Bo=\frac{\rho g{a}_{0}^{2}}{\sigma }$

式(1)中:ɑ为液滴的特征长度;σ为表面张力;ρ为液体密度;g为重力加速度。

当Bo≪1 时:表面张力起主导作用,重力的影响可忽略。本实验的液滴以表面张力为主导,液滴在球形状态下最为稳定,能量也处于最低状态。图2为液滴阵列排列模型。液滴的大小和液滴间的间距是影响液滴蒸发的重要因素。实验温度22 ℃湿度35%。图3展示了液滴的正视图,液滴高度和接触直径随时间的变化,蒸发开始时三液滴的高度相同,在20 min时中心液滴的高度明显高于两端液滴,这种情况一直持续到两端液滴蒸发结束,最后蒸发平台中只剩中心液滴直至蒸发结束。对于没有两端液滴影响的单液滴,蒸发完成用时47 min。

如图4所示,单液滴的CCR模式持续了31 min,占总蒸发时间的65.96%;L/R=5.36中心液滴的CCR模式持续了50 min,占总蒸发时间的75.75%;L/R=6.89中心液滴的CCR模式持续了43 min,占总蒸发时间的74.13%;L/R=8.73中心液滴的CCR模式持续了38 min,占总蒸发时间的73.08%。随着L/R的增加,CCR模式持续时间与液滴存在时间逐渐减小,直至与单液滴蒸发时间相同。

液滴可以由如图5所示的柱坐标表示,镜像坐标为r,轴向坐标为z,液滴的形状可表示为

(2)

$h\left(r\right)=\sqrt{{\left(\frac{R}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta }\right)}^{2}-{r}^{2}-\frac{R}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\theta }}$

式(2)中:h为液滴高度;θ为液滴接触角^[24]。

液滴高度h₀的表达式为

(3)

${h}_{0}=\frac{R}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\theta /2}$

液滴体积V的表达式为

(4)

$V=\mathrm{\pi }{R}^{3}\frac{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }^{3}-3\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta +2}{3\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{3}\theta }$

基于纯扩散理论模型,半球形液滴蒸发速率可表示为

(5)

$\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}t}=-2\mathrm{\pi }R\frac{D({c}_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f}}-{c}_{\infty })}{\rho }f\left(\theta \right)$

(6)

$f\left(\theta \right)=\frac{1}{\sqrt{1+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta }}$

式中:V为液滴体积;t为时间;R为液滴接触半径;D为蒸气在空气中的扩散系数;ρ为液体密度;c_surf、c_∞分别为液滴表面和环境中的蒸气浓度;f(θ)为液滴接触角的函数。

液滴蒸发速率中的扩散系数(D)的表达式^[25]为

(7)

$D\left(T\right)=2.5\times {10}^{-4}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(-\frac{684.15}{T+273.15}\right)$

式(7)中:T为环境温度。

在相同有序液滴阵列下,中心液滴蒸发时间与蒸发量之间的关系如图6所示,当L/R=5.36、6.89和8.73时,中心液滴相较于单液滴蒸发完成时间更长,分别为66、58和52 min。与同等环境下单液滴相对比发现三液滴的中心液滴寿命更久,蒸发速率更慢,相较于单液滴三液滴的中心液滴存在时间更久整体蒸发速率更慢。L/R=5.36与L/R=6.89和L/R=8.73相比,蒸发速率最慢。如图7所示,在相同L/R的情况下,中心液滴的蒸发速率均低于两端液滴的蒸发速率,中心液滴L/R=5.36的蒸发速率最慢,L/R=8.73的蒸发速率最快,两端液滴同样是L/R=5.36的蒸发速率最慢,L/R=8.73的蒸发速率最快。中心液滴受到两侧液滴的影响,液滴周围蒸气积聚,导致液滴存在时间变长,并且这种蒸气积聚存在着影响区域,形成一定范围的蒸气屏障,在蒸发时凝聚成形,进而影响中心液滴的存在期。

由Fick定律可知,在低基板温度与无强制对流时,单液滴的蒸气输运主要由浓度梯度驱动的分子扩散控制。在多个液滴共同蒸发时,液滴周围的蒸气扩散区域会相互重叠,形成局部高浓度蒸气区,而局部高浓度蒸气区形成的高湿度环境则会抑制扩散,导致蒸气更易聚集,形成蒸气屏障。Lee等^[13]通过PIV技术观察多液滴的内部流场,观察发现多液滴的中心液滴流体流向远离相邻液滴的区域,侧液滴则显示出向远离中心液滴的区域流动的涡旋运动,两端液滴的蒸发通量在近中心液滴区域比远离蒸气积聚的区域显著减小。蒸发通量低的区域对流较弱,导致中心液滴的蒸发速率慢。

2.1.2 两端不同盐浓度液滴对中心液滴蒸发的影响

重点探讨两端伴生液滴的盐浓度对中心纯水液滴蒸发寿命的影响。如图8所示,实验构建了无序三液滴阵列(L/R=7),其中中心液滴为纯水,两侧对称布置质量分数为1%~4%的NaCl液滴。实验结果表明(图9),伴生液滴的盐浓度对中心液滴的蒸发动力学具有显著的调控作用。当两端液滴的盐浓度达到4%时,中心液滴的蒸发速率发生明显变化。两端为盐水液滴与两端为纯水液滴的中心液滴蒸发速率相比更慢,中心液滴的存在时间延长了4.65%。相比之下,1%~3%的盐水液滴在该实验环境下对中心液滴影响很小。这一结果证实,只有当伴生液滴的盐度超过特定阈值时,才会显著改变多液滴系统的整体蒸发行为。

两端盐浓度为4%的液滴与两端为纯水的液滴蒸发情况不同,两端为纯水的三液滴的中心液滴与两端液滴相比蒸发寿命最长,而两端为4%的盐溶液的中心液滴与两端盐水液滴相比却是蒸发寿命最短。两端为4%盐水浓度的液滴,蒸发前期与纯水的蒸发相近,因此如图9所示中心液滴在蒸发前期与纯水的蒸发速率基本一致,到蒸发中期由于两侧液滴的盐浓度增加导致两侧液滴的蒸发速率降低,当盐溶液液滴蒸发时,其表面溶质浓度逐渐升高,水活性降低^[26],这会减少其自身蒸发速率,但盐溶液蒸发出的溶质挥发可能形成局部高湿度微环境,降低了周围空气中水蒸气的扩散梯度。中间纯水液滴处于这一微湿环境中,蒸气扩散驱动力的减小导致其蒸发速率下降。这种局部微湿度的变化同时也对中心液滴的高度、接触直径产生影响,从而影响了中心液滴的蒸发寿命。

如图10所示,在提高湿度到50%的状态下,实验中出现了三液滴中心液滴的蒸发过程与单液滴蒸发过程基本一致的特殊现象。中心液滴与单液滴蒸发相同,三液滴的蒸气屏障效应影响消失。如图11所示,在温度22 ℃三液滴L/R=7时。对比了不同湿度下的中心液滴(两端为纯水液滴与2%盐水液滴)与单液滴的蒸发速率。根据环境湿度为35%的中心液滴的蒸发速率,由式(5)计算中心液滴周围的湿度如表2所示。提高环境湿度到43%,中心液滴(两端为2%盐水液滴)与湿度为50%下的单液滴蒸发速率相近,但是依旧比湿度为43%的单液滴的蒸发速率低。在湿度为50%的条件下出现了中心液滴(两端为2%盐水液滴)与单液滴蒸发速率一致的特殊情况。

在周围不同盐水液滴影响下的中心液滴,当蒸发的环境湿度提升时,多液滴的蒸气屏障效应失去效果,中心液滴的蒸发与单液滴一致。由于盐的加入,液滴两端的蒸气分压降低。这种蒸气分压的降低导致传质推动力的降低,从而影响蒸发过程。随着环境湿度的增加,环境中的水分子影响着液滴的蒸发,蒸气屏障没法聚集,导致中心液滴的蒸发速率与单液滴一致。聚集起来的水蒸气浓度低于环境湿度,从而导致蒸气屏障失效。液滴之间蒸气的聚集导致中心液滴周围的湿度提升,湿度的提升导致中心液滴的蒸发速率下降。因此蒸气屏障效应其实就是提升了中心液滴周围的局部湿度。

2.2 电场强化对中心液滴蒸发的影响

2.2.1 非均匀电场作用下固着多液滴蒸发特性

主要研究电场强化对三液滴蒸发时的影响。液滴间距如图12所示,本实验使用曲率半径为0.125 mm的针-板电极,针电极距离中心液滴5 mm。实验温度30 ℃湿度35%。如图13所示,在蒸发起始段加压4.75 kV加压90 s,中心液滴的蒸发速率明显变化,加压阶段中心液滴蒸发速率明显快于单液滴蒸发,随后缓缓提升,最终与单液滴蒸发速率一致,但是明显比同等条件下的多液滴的中心液滴蒸发寿命短。如图14所示,在蒸发中间段加压4.75 kV加压60 s,加压阶段蒸发速度明显加快,随后蒸发速率缓缓提升向单液滴蒸发速率靠齐,在蒸发后期蒸发速率减缓直至蒸发完成。为实现相同蒸发效果,蒸发前期加压与蒸发中期加压相比在蒸发中期加压所需要的能量更低,需要0.313 J的能量,而蒸发前期加压则需要0.469 J的能量。如表3所示,由式(9)计算可知,液滴蒸发前期施加电场,多液滴中心液滴蒸发能耗降低15.44%。液滴蒸发中期施加电场,多液滴中心液滴蒸发能耗降低15.54%。

水的汽化潜热表达式^[27-28]为

(8)

${h}_{\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{p}}=(-2.5314T+2508.6)\times {10}^{3}$

加入电场后能耗降低百分比定义为

(9)

$\eta =\left(1-\frac{{t}_{2}}{{t}_{1}}-\frac{{Q}_{2}{t}_{3}}{{Q}_{1}{t}_{1}}\right)\times 100\mathrm{\%}$

式(9)中:t₁为多液滴中心液滴蒸发时间;t₂为加压液滴蒸发总时间;t₃为加电压时间;Q₁为理论液滴蒸发需要能量;Q₂为外加能量。

在液滴内加入示踪剂,观察在针电极作用下液滴内部的流动。如图15所示,液滴截面流场可视化结果表明,针电极诱导的离子风在液滴界面处引发马兰戈尼应力,驱动表面流动强化;如图16所示,该剪切力进一步触发液滴内部对流,表现为垂直于基板平面(铜板)的轴对称旋进流。具体演化过程为:初始涡核在液滴中心区形成并加速旋转,继而通过径向动量输运向气-液-固三相接触线附近扩散,最终形成以中心为汇的返流循环。

在三液滴蒸发过程中对中心液滴正上方加入高电压,离子风通过物理冲击增强外部对流换热,并直接削薄蒸气扩散层,共同提升液滴蒸发效率。当蒸气屏障对蒸发产生抑制效果后,施加低能量扰动,能够缩短多液滴蒸发所需时间,进而实现节能效果。

2.2.2 均匀电场作用下固着多液滴蒸发特性

如图17所示,在多液滴的上方施加均匀电场后,液滴在电场中受到一个向上提升的拉力,这个拉力导致液滴变形,并且随着电压的增加液滴的变形愈发剧烈,10 kV时液滴变化剧烈成为类似于“锥子”的形状,称为泰勒锥^[29]。

单液滴在板-板电极加电场的状态下,蒸发速率会降低,蒸发时间会延长^[10,30]。图18展示了不同L/R值在0 ~10 kV电压条件下对中心液滴蒸发速率的影响。实验温度25 ℃湿度35%。实验结果表明,当L/R=8.9时随着板-板电极电压的升高中心液滴的蒸发速率下降。当电压升高至10 kV时尤其明显,当电压为5 kV时蒸发速率下降了约1.4%,而当电压增加至10 kV时蒸发速率下降了约14.0%。当L/R=8.9时中心液滴的蒸发速率随着电压的增加而降低,这与单液滴在板板电极下的抑制状态一致。当L/R=7时随着板板电极电压的升高,中心液滴的蒸发出现了“先抑制后促进”的情况。当电压为5 kV时蒸发速率下降了约1.46%,而当电压增加至10 kV时蒸发速率提升了约2.34%。当L/R=4.5时随着板间电压的升高,中心液滴的蒸发速率被促进。当电压为5 kV时蒸发速率提升了约16.33%,当电压为10 kV时蒸发速率提升了约18.53%。

图19展示了不同L/R在0~10 kV电压条件下对两端液滴蒸发速率的影响。实验结果表明,当L/R=8.9时随着板板电极电压的升高两端液滴的蒸发速率下降,当电压升高至10 kV时尤其明显,当电压为5 kV时蒸发速率下降了约5.75%,而当电压增加至10 kV时蒸发速率下降了约11.98%。L/R=8.9的中心液滴蒸发速率变化一致,液滴随着电压增加出现蒸发抑制的情况。而在L/R=4.5与L/R=7的两端液滴蒸发速率变化趋势一致,都是随着电压的升高液滴蒸发被促进。L/R=7当电压为5 kV时蒸发速率升高了约6.02%,电压增加至10 kV时蒸发速率提升了约2.23%。当L/R=4.5升高电压到5 kV时液滴蒸发速率提升了约21.06%,当升高电压至10 kV时液滴蒸发速率提升了约14.38%。

从实验结果可以看出,在电场力的作用下,蒸气的聚集受到了影响。当液滴之间的距离比较远时,液滴之间的蒸气屏障效应影响较弱,当在液滴正上方施加电场力后更多的蒸气被聚集到液滴顶端,液滴之间由于扩散作用交织在一起而形成的蒸气屏障效应被增强,因此当液滴间距较远时在上方施加电场力的作用抑制了液滴的蒸发。随着电场强度的增加,液滴尖端因电场集中形成高曲率区域,导致表面电荷密度和电场强度在此处更高,促使蒸气主要从尖端逸出,但是当液滴间距本身就很近时,液滴与液滴之间的蒸气屏障效应原本就很强,随着电场力的加入反而破坏了蒸气屏障的整体“包裹”。因此出现了液滴蒸发被促进的情况。

3 结论

通过静电环境下多液滴蒸发的可视化实验,系统探究了液滴间距、盐浓度梯度及静电场对蒸气屏蔽效应的影响机制,得出如下主要结论。

(1)中心液滴存在时间显著长于单液滴,且随液滴L/R减小而延长。该现象源于液滴间的蒸气屏蔽效应,且蒸气屏蔽效应是由于液滴间蒸气扩散重叠导致的局部高湿环境。

(2)均匀电场中,近距离中心液滴(L/R=4.5)在5 kV电压下蒸发速率提升21.06%,远距离中心液滴蒸发速率(L/R=8.9)则抑制14.0%,此距离依赖性源于静电场对蒸气屏障聚集区域形态的改变。

(3)在三液滴蒸发过程中,对中心液滴正上方施加电场,通过物理冲击外部增强对流换热并削薄蒸气扩散层,增强液滴内部流动,从而提升中心液滴蒸发效率。实验表明,蒸发中期加电场能耗降低15.54%,即在蒸气屏障抑制蒸发效果显现后施加扰动,能减少多液滴蒸发时间,从而达到节能目的。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	张金阳, 熊平, 江启峰, 等. 液滴撞击不同润湿性加热表面的数值模拟[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(14): 5730-5736.

[2]	Zhang Jinyang, Xiong Ping, Jiang Qifeng. Numerical simulation of droplet impact on heated surface with different wettability[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(14): 5730-5736.

[3]	Liu Q, Lu R, Qiao Y, et al. Analysis of the correction factors and coupling characteristics of multi-droplet evaporation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022, 195: 123138.

[4]	Teng L, Wang W, Huang X, et al. Evaporation of sessile droplet on surfaces with various wettability[J]. Chemical Engineering Science, 2023, 268: 118413.

[5]	Wang Z, Orejon D, Takata Y, et al. Wetting and evaporation of multicomponent droplets[J]. Physics Reports, 2022, 960: 1-37.

[6]	胡定华, 吴慧英, 吴信宇. 局部微型加热下液滴表面温度分布特性[J]. 化工学报, 2011, 62(11): 3039-3045.

[7]	Hu Dinghua, Wu Huiying, Wu Xinyu. Surface temperature distribution of droplet heated by local microheater[J]. CIESC Journal, 2011, 62 (11): 3039-3045.

[8]	Langmuir I. The evaporation of small spheres[J]. Physical Review, 1918, 12(5): 368-370.

[9]	Picknett R G, Bexon R. The evaporation of sessile or pendant drops in still air[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1977, 61(2): 336-350.

[10]	Thompson P A, Robbins M O. simulations of contact-line motion: slip and the dynamic contact angle[J]. Physical Review Letters, 1989, 63(7): 766-769.

[11]	Popov Y O. Evaporative deposition patterns: Spatial dimensions of the deposit[J]. Physical Review E, 2005, 71(3): 036313.

[12]	Wang W, Huang X, Wang L, et al. Study on the mechanism of sessile droplets evaporation enhanced by the electric field[J]. Chemical Engineering Science, 2024, 288: 119768.

[13]	Edwards A M J, Cater J, Kilbride J J, et al. Interferometric measurement of co-operative evaporation in 2D droplet arrays[J]. Applied Physics Letters, 2021, 119(15): 151601.

[14]	Carrier O, Shahidzadeh-Bonn N, Zargar R, et al. Evaporation of water: evaporation rate and collective effects[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2016, 798: 774-786.

[15]	Lee H J, Choi C K, Lee S H. Vapor-shielding effect and evaporation characteristics of multiple droplets[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2023, 144: 106789.

[16]	Hatte S, Dhar R, Bansal L, et al. On the lifetime of evaporating confined sessile droplets[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2019, 560: 78-83.

[17]	Sáenz P J, Sefiane K, Kim J, et al. Evaporation of sessile drops: a three-dimensional approach[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2015, 772: 705-739.

[18]	Renksizbulut M, Nafziger R, Li X. A mass transfer correlation for droplet evaporation in high-temperature flows[J]. Chemical Engineering Science, 1991, 46(9): 2351-2358.

[19]	Hu H, Larson R G. Analysis of the effects of marangoni stresses on the microflow in an evaporating sessile droplet[J]. Langmuir, 2005, 21(9): 3972-3980.

[20]	Lohse D, Zhang X. Physicochemical hydrodynamics of droplets out of equilibrium[J]. Nature Reviews Physics, 2020, 2(8): 426-443.

[21]	韩琪炜, 金捷, 赖根鸿, 等. 一维阵列多液滴蒸发模型实验研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2026, 52(5): 1680-1690.

[22]	Han Qiwei, Jin Jie, Lai Genhong, et al. Experimental study of multi-droplet evaporation model of one-dimensional array[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2026, 52(5): 1680-1690.

[23]	Chen N, Gan Y, Shi Y. Enhanced controllability of droplet evaporation via DC electric field[J]. Chemical Engineering Journal, 2024, 479: 147488.

[24]	Kang F, Shen Y, Cheng Y, et al. Lifetime prediction of sessile droplet evaporation with coupled fields[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2021, 60(43): 15782-15792.

[25]	Gibbons M J, Garivalis A I, O’Shaughnessy S, et al. Evaporating hydrophilic and superhydrophobic droplets in electric fields[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2021, 164: 120539.

[26]	Reznik S N, Yarin A L. Spreading of an axisymmetric viscous drop due to gravity and capillarity on a dry horizontal wall[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2002, 28(9): 1437-1457.

[27]	李健, 费潇, 王腊梅, 等. 基于液滴局部轮廓的接触角测量方法[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(24): 10134-10139.

[28]	Li Jiang, Fei Xiao, Wang Lamei, et al. Contact angle measurement method based on droplet local profile[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21 (24): 10134-10139.

[29]	Hu D, Wu H, Liu Z. Effect of liquid-vapor interface area on the evaporation rate of small sessile droplets[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2014, 84: 300-308.

[30]	Liang Z, Yan Y, Yan J, et al. The study of evaporation characteristics of the desulfurization wastewater (electrolyte solution) droplet[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 161: 114119.

[31]	Bhardwaj R, Fang X, Attinger D. Pattern formation during the evaporation of a colloidal nanoliter drop: a numerical and experimental study[J]. New Journal of Physics, 2009, 11(7): 075020.

[32]	Hu D, Wu H. Volume evolution of small sessile droplets evaporating in stick-slip mode[J]. Physical Review E, 2016, 93(4): 042805.

[33]	Xu H, Wang J, Tian J, et al. Evaporation characteristics and heat transfer enhancement of sessile droplets under non-uniform electric field[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2021, 126: 110378.

[34]	Almohammadi H, Amirfazli A. Sessile drop evaporation under an electric field[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2018, 555: 580-585.