La evaporación de gotas de agua salada es un fenómeno físico y químico básico, que tiene aplicaciones clave en los campos de la tecnología de separación, desalinización e ingeniería de cristales. Durante el proceso de evaporación, se forma un flujo complejo en el interior de la gota, lo que determina la distribución final y la morfología cristalina de la materia disuelta. El flujo dentro de las gotas está controlado principalmente por dos mecanismos clave: la convección Rayleigh impulsada por diferencias de densidad y el Efecto Marangoni impulsado por gradientes de tensión superficial. Sin embargo, la interacción y la transformación de posiciones dominantes entre estos dos mecanismos en diferentes condiciones térmicas de interfaz todavía carecen de estudios cuantitativos sistemáticos. Por lo tanto, una comprensión profunda de estos mecanismos de flujo interno es esencial para lograr un control preciso de la morfología de la deposición cristalina.

Recientemente,El profesor he gaohong y el equipo del Profesor Jiang xiaobin del Laboratorio Estatal clave de química fina de la Universidad Tecnológica de Dalian y el Centro de Ciencias de vanguardia de materiales inteligentesRevistas internacionales en el campo químicoCiencia de la Ingeniería QuímicaPublicado en elTransiciones de flujo en la evaporación de gotitas salinas: interacción entre la convección de Rayleigh y los efectos de MarangoniTesis de Investigación.

El estudio explora en profundidad el mecanismo de circulación interna durante la evaporación de gotas de agua salada en diferentes geometrías y condiciones térmicas a través de una combinación de experimentos sistemáticos y simulaciones de dinámica de fluidos computacional (cfd). El estudio revela diferentes patrones circulares controlados por la interacción entre la convección de Reilly y el efecto marangoni.Entre ellos, el equipo de investigación utilizó la tecnología de microlitografía estereoscópica de proyección de superficie de precisión de Mo Fang (p μsl) (nanoarco) ® S140 Pro， Precisión: 10 micras) el sistema de Impresión 3D prepara una plataforma en miniatura de gotas.

El estudio encontró que a temperatura ambiente, el interior de la gota está impulsado principalmente por la convección de reilly, y el tamaño de sus tentáculos determina la morfología final de la deposición: la deposición marginal se forma cuando es inferior a 90 ° y la deposición central cuando es superior a 90 °. A través de la regulación precisa de la temperatura, el estudio ha logrado una transformación fundamental del modo de flujo interno. Un descubrimiento clave es que cuando la diferencia de temperatura supera un umbral crítico específico, el efecto termomagnoni abruma la convección de reilly, lo que conduce a una inversión del patrón de flujo. Además, el coeficiente de transferencia de calor de la interfaz sólido - líquido también se ha demostrado que es un parámetro clave para regular el mecanismo dominante del flujo, y cuando su valor es inferior a 10 W / m2 · k, el flujo está dominado por la convección de ruili; Por su parte, en el rango de 100 - 1000 W / m2 · k, predomina el efecto germarangoni. Finalmente, el trabajo construyó un mapa de fases integral basado en los Números adimensionales de Rayleigh (ra) y Marangoni (ma), que proporciona una poderosa herramienta cuantitativa para predecir y controlar la transformación del Estado de flujo en diferentes condiciones de evaporación, sentando así las bases teóricas para lograr un control preciso de la morfología de la deposición cristalina a través de la regulación térmica de la interfaz.

Para garantizar la precisión de la simulación, el equipo de investigación construyó un sistema de caracterización simultánea que incluye imágenes térmicas ópticas e Infrarrojas (figura 1) y verificó el modelo cfd. Como se muestra en la figura 2, los resultados de la simulación coinciden muy bien con los datos experimentales en parámetros clave como la evolución geométrica de las gotas, la distribución de la temperatura de la interfaz y el campo de flujo interno. por ejemplo, la diferencia relativa entre la distribución de la temperatura de la interfaz simulada y experimental es de solo 005114%, lo que confirma plenamente la fiabilidad del modelo numérico.

Los estudios han demostrado que el ángulo de contacto de las gotas es un factor clave para determinar el patrón de flujo y la morfología final de la deposición (figura 3). Cuando el ángulo de contacto es inferior a 90 °, la velocidad máxima de evaporación aparece en la línea de contacto de tres fases, lo que impulsa el flujo en el sentido de las agujas del reloj dominado por la convección de Reilly y el Efecto Marangoni del solutor, que finalmente forma una deposición en forma de "anillo de café". Por su parte, cuando el ángulo de contacto es superior a 90 °, la velocidad de evaporación se transfiere al vértice de la gota, lo que provoca un flujo de doble circulación en el sentido de las agujas del reloj en la parte superior y en el sentido contrario a las agujas del reloj en la parte inferior. esta estructura única del campo de flujo hace que los cristales se reúnan en la zona central.

El radio de contacto de la gota también afecta el proceso de cristalización (figura 4). El estudio encontró que a 120 ° ángulo de contacto, con el aumento del radio de contacto, el gradiente de concentración interna impulsado por el efecto de flotabilidad se fortaleció. Las rutas circulares más largas proporcionan un tiempo suficiente de absorción de solutos para los núcleos, lo que ayuda a formar cristales de mayor tamaño, un fenómeno confirmado tanto en imágenes simuladas como experimentales de microscopía electrónica de barrido.

El flujo interno se puede controlar activamente regulando las condiciones de frontera térmica (figura 5). El estudio encontró que el coeficiente de transferencia de calor de la interfaz (h) es la clave para determinar el modo de flujo, y el bajo coeficiente de transferencia de calor (h < 10 W / m2 · k) es propicio para mantener el flujo en el sentido de las agujas del reloj dominado por la convección de rayleigh. Cuando el coeficiente de transferencia de calor aumenta al rango de 100 - 1000 W / m2 · k, la diferencia de temperatura causada por el calentamiento del sustrato es suficiente para que el efecto malangoni térmico abrume a otros efectos, invirtiendo el modo de flujo en un ciclo en sentido contrario a las agujas del reloj.

En condiciones de calentamiento, el flujo interno experimentará una transformación dinámica del dominio de Reilly al dominio de Marangoni (figura 6). El estudio cuantifica con precisión la diferencia crítica de temperatura en la que se produce esta transición, que es de 0,94 K para las gotas con un ángulo de contacto de 120 °, mientras que para las gotas con un ángulo de contacto de 60 °, se necesita una mayor diferencia de temperatura (1,34 k) para lograr la reversión debido al efecto Marangoni solutor más fuerte. Esta conclusión proporciona orientación cuantitativa para la regulación precisa del flujo interno a través de la temperatura.

Para predecir sistemáticamente el Estado de flujo en diferentes condiciones, el equipo de investigación construyó un mapa de fase de flujo basado en los números de Reilly adimensionales (ra) y Marangoni (ma) (figura 7). Estos mapas de fase dividen claramente las áreas de flujo de transición dominadas por Riley (áreas rosas), las áreas dominadas por Marangoni (áreas azules) y las dos bajo la acción conjunta. Como se muestra en la figura 8, los límites de transformación entre los diferentes Estados de flujo se pueden describir con precisión a través de la relación de ley de potencia, lo que proporciona una herramienta poderosa para el control cuantitativo del flujo interno de las gotas.

Este estudio reveló sistemáticamente los mecanismos competitivos y sinérgicos entre la convección de Reilly y el Efecto Marangoni en las gotas de agua salada evaporada, y encontró que la geometría de las gotas y las condiciones de límite térmico tienen un impacto decisivo en el ciclo interno y el modo de cristalización final.El estudio aclara la relación correspondiente entre el patrón de flujo y la morfología de la deposición en diferentes ángulos de contacto: la deposición en forma de "anillo de café" se forma cuando es inferior a 90 ° y la deposición centralizada cuando es superior a 90 °. Además, el estudio cuantifica el efecto de control de las condiciones térmicas en el modo de flujo y determina la diferencia crítica de temperatura y el rango de coeficiente de transferencia de calor de la interfaz para lograr el dominio del efecto termomalangoni. El mapa de fase ra - ma establecido finalmente proporciona una herramienta confiable para predecir los patrones circulares en diferentes condiciones térmicas y geométricas. Estos resultados proporcionan una base teórica para optimizar el proceso de cristalización por evaporación regulando con precisión las condiciones de la interfaz, y tienen potencial de aplicación en campos como la cristalización de proteínas, microreactores químicos y plataformas de análisis biológico.