Die Verdampfung von Salzwassertropfen ist ein grundlegendes physikalisch-chemisches Phänomen mit entscheidenden Anwendungen in Bereichen wie Trenntechnologie, Entsalzung und Kristallintechnik. Während der Verdampfung entstehen komplexe Strömungen innerhalb der Tropfen, die die endgültige Verteilung und die Kristallform der gelösten Substanz bestimmen. Der Fluss innerhalb der Tropfen wird hauptsächlich durch zwei Schlüsselmechanismen gesteuert: Rayleigh-Konvektion, die durch Dichtendifferenzen angetrieben wird, und Marangoni-Effekte, die durch Oberflächenspannungsgradiente angetrieben werden. Systematische quantitative Studien über die Wechselwirkung und die Dominanz zwischen den beiden Mechanismen unter unterschiedlichen thermischen Grenzflächenbedingungen fehlen jedoch. Daher ist ein tiefes Verständnis dieser inneren Flussmechanismen von entscheidender Bedeutung, um die präzise Kontrolle der kristallinen Ablagerungsformen zu erreichen.

In den letzten Tagen,Professor Ha Gaoheng und das Team von Professor Jiang Xiaobin vom Nationalen Schlüssellabor für Feinchemie und dem Wissenschaftszentrum für intelligente Materialien der Dalian Polytechnic UniversityInternationale Zeitschriften im Bereich Chemie„Chemical Engineering Science“Veröffentlicht unter dem Titel„Strömungsübergänge in verdampfenden Salztröpfchen: Wechselwirkung zwischen Rayleigh-Konvektion und Marangoni-Effekten“Forschungsarbeiten.

Durch systematische Experimente in Kombination mit einer Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulation untersucht die Studie die inneren Kreislaufmechanismen bei der Verdampfung von Salztropfen unter verschiedenen geometrischen Konfigurationen und thermischen Bedingungen. Die Studie hat verschiedene Zyklusmuster aufgedeckt, die durch die Wechselwirkung von Rayleigh-Konversion und Marangoni-Effekt gesteuert werden.Dabei nutzte das Forscherteam die Micro-Stereo-Photography (PμSL) Technologie (nanoArch). ® S140 Pro， Genauigkeit: 10 μm) Das 3D-Drucksystem bereitet eine Mikroplattform aus.

Die Studie ergab, dass unter normalen Temperaturbedingungen das Innere des Tropfens hauptsächlich von Rayleigh-Konversion angetrieben wird, und dass die Größe ihres Kontaktwinkels die endgültige Ablagerungsform bestimmt: eine Randablagerung bei weniger als 90 ° und eine zentrale Ablagerung bei größeren als 90 ° entsteht. Durch die präzise Regulierung der Temperatur hat die Forschung eine grundlegende Veränderung der inneren Strömungsmuster erreicht. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass, wenn die Temperaturdifferenz einen bestimmten kritischen Schwellenwert überschreitet, der thermische Marangonie-Effekt die Reilly-Konversion überwältigt, was zu einer Umkehr der Strömungsmuster führt. Darüber hinaus hat sich der Wärmeübertragungskoeffizient der Festflüssigkeitsschnittstelle als entscheidender Parameter für die Regulierung des Strömungsdominierenden Mechanismus erwiesen, wenn der Wert unter 10 W/m2·K ist und der Strömung von Riley-Konversion dominiert wird; Im Bereich von 100-1000 W/m2·K dominiert der thermische Malangoni-Effekt. Schließlich erstellte die Arbeit ein umfassendes Diagramm auf der Grundlage der massenlosen Reilly-Zahl (Ra) und der Maragoni-Zahl (Ma), das leistungsstarke quantitative Werkzeuge zur Vorhersage und Kontrolle von Flusszustandsveränderungen unter verschiedenen Verdampfungsbedingungen lieferte und somit die theoretische Grundlage für eine präzise Kontrolle der Kristallabsetzungsform durch die Grenzflächenhermieregulation legte.

Um die Genauigkeit der Simulation zu gewährleisten, baute das Team ein synchrones Charakterisierungssystem mit optischer und infraroter Wärmebildgebung (Abbildung 1) auf, um das CFD-Modell zu validieren. Wie in Abbildung 2 gezeigt, entsprechen die Simulationsergebnisse sehr stark den experimentellen Daten in Bezug auf Schlüsselparameter wie die geometrische Evolution der Tropfen, die Grenzflächentemperaturverteilung und das interne Flussfeld, z. B. die relative Differenz zwischen der Simulation und dem Experiment in der Grenzflächentemperaturverteilung von nur 0,05114%, was die Zuverlässigkeit des numerischen Modells ausreichend bestätigt.

Studien haben gezeigt, dass der Kontaktwinkel des Tropfens ein entscheidender Faktor ist, der das Strömungsmuster und die endgültige Ablagerungsform bestimmt (Abbildung 3). Wenn der Kontaktwinkel kleiner als 90° ist, erscheint die maximale Verdunstungsgeschwindigkeit an der dreiphasigen Kontaktlinie, was einen Uhrzeigersinnström antreibt, der gemeinsam von Riley-Konversion und dem gelösten Marangoni-Effekt dominiert wird und schließlich eine "Kaffeering"-ähnliche Ablagerung bildet. Wenn der Kontaktwinkel größer als 90 ° ist, wird die Verdunstungsgeschwindigkeit auf den Tropfenspitze verlagert, was einen doppelten Zyklus des oberen Uhrzeigersinns und des unteren Uhrzeigersinns verursacht, was zu einer einzigartigen Strömungsstruktur führt, die Kristalle im zentralen Bereich sammeln.

Der Kontaktradius des Tropfens beeinflusst ebenfalls den Kristallisationsprozess (Abbildung 4). Die Studie ergab, dass der interne Konzentrationsgradient, der durch den Schwimmeffekt angetrieben wird, bei einem Kontaktwinkel von 120 ° verstärkt wird, wenn der Kontaktradius erhöht wird. Der längere Kreislaufweg bietet dem Kern ausreichende Aufnahmezeit für Lösemittel, was zur Bildung größerer Kristalle beiträgt, was sowohl in analogen als auch experimentellen Scan-Elektroskopbildern bestätigt wurde.

Durch die Regelung der thermischen Grenzbedingungen kann der Innenfluss aktiv gesteuert werden (Abbildung 5). Die Studie ergab, dass der Schnittstellenwärmeübertragungskoeffizient (h) der Schlüssel zur Bestimmung des Strömungsmusters ist und der niedrige Wärmeübertragungskoeffizient (h < 10 W/m2 · K) dazu beiträgt, den von Riley-Konversion dominierten Uhrzeigersinnström aufrechtzuerhalten. Wenn der Wärmeübertragungskoeffizient auf den Bereich von 100-1000 W/m2·K erhöht wird, ist der Temperaturunterschied, der durch die Grundheizung verursacht wird, ausreichend, um den thermischen Malangonie-Effekt zu überwältigen und das Strömungsmuster in einen entgegengesetzten Uhrzeigerzyklus umzukehren.

Unter beheizten Bedingungen erlebt der innere Strom einen dynamischen Wandel von Reilly-dominierten zu Maragoni-dominierten (Abbildung 6). Die Studie quantifizierte genau die kritische Temperaturdifferenz, bei der dieser Umstieg stattfand, mit einem Wert von 0,94 K für Tropfen mit einem Kontaktwinkel von 120 °, während für Tropfen mit einem Kontaktwinkel von 60 °, aufgrund des stärkeren gelösten Marangoni-Effekts, eine höhere Temperaturdifferenz (1,34 K) erforderlich war, um eine Umkehr zu erreichen. Diese Schlussfolgerung liefert eine quantitative Anleitung zur präzisen Regelung der Innenströmung durch die Temperatur.

Um den Flusszustand unter verschiedenen Bedingungen systematisch vorherzusagen, erstellte das Team ein Flussbild auf der Grundlage der Reilly-Zahl (Ra) und der Maragoni-Zahl (Ma) (Abbildung 7). Diese Grafiken unterscheiden deutlich die Reilly-Dominanz (rosa Zone), die Marangoni-Dominanz (blaue Zone) und die Übergangsflüssigkeitszonen unter der gemeinsamen Wirkung beider. Wie in Abbildung 8 gezeigt, können die Transformationsgrenzen zwischen den verschiedenen Strömungszuständen durch Potenzgesetze genau beschrieben werden, die ein leistungsstarkes Werkzeug zur quantitativen Kontrolle der inneren Strömung von Tropfen bieten.

Diese Studie hat systematisch die Mechanismen des Wettbewerbs und der Synergie zwischen Riley-Konversion und Marangoni-Effekt in verdampften Salzwassertropfen aufgedeckt und festgestellt, dass die Tropfengeometrie und die thermischen Grenzbedingungen einen entscheidenden Einfluss auf den inneren Kreislauf und das endgültige Kristallisationsmuster haben.Die Studie hat den Zusammenhang zwischen den Strömungsmustern unter verschiedenen Kontaktwinkeln und den Ablagerungsformen festgestellt: Bei weniger als 90° entsteht eine „Kaffeering“-ähnliche Ablagerung und bei größeren als 90° entsteht eine zentralisierte Ablagerung. Darüber hinaus quantifizierte die Studie die Kontrolle der Wärmebedingungen auf das Strömungsmuster und bestimmte den Bereich der kritischen Temperaturdifferenzen und der Grenzflächenwärmeübertragungskoeffizienten, die die Dominanz des thermischen Malangonie-Effekts erreichten. Das endgültig erstellte Ra-Ma-Diagramm bietet ein zuverlässiges Werkzeug zur Vorhersage von Zyklusmustern unter unterschiedlichen thermischen und geometrischen Bedingungen. Diese Ergebnisse bieten eine theoretische Grundlage für die Optimierung des Verdampfungskristallisationsprozesses durch präzise regulierte Schnittstellenbedingungen und bieten Anwendungspotenzial in Bereichen wie Proteinkristallisation, chemische Mikroreaktoren und Bioanalyseplattformen.