[논문 리뷰] The nanoscale instability driving Leidenfrost film collapse

Tom Y. Zhao, Neelesh A. Patankar|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 08.

Fluid Dynamics and Thin Films참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 증기 갭을 가로질러 작용하는 반데르발스 힘에 의해 유도되는 나노스케일 증기 필름 불안정성으로 인해 라이덴프로스트 필름 붕괴가 발생함을 규명한다. 선형 안정성 분석을 통해 표면 침윤성, 압력 및 유체 성질을 고려한 라이덴프로스트 점(LFP)에 대한 원천에서 유도된 수학적 표현을 유도하였으며, 실험 데이터를 정확히 예측하고 침윤성 유체의 경우 단일 무차원 수로 단순화된다.

ABSTRACT

Above a critical temperature known as the Leidenfrost point (LFP), a heated surface can suspend a liquid droplet above a film of its own vapor. The insulating vapor film can be highly detrimental in metallurgical quenching and thermal control of electronic devices, but may also be harnessed to reduce drag and generate power. Manipulation of the LFP has occurred mostly through experiment, giving rise to a variety of semi-empirical models that account for the Rayleigh-Taylor instability, nucleation rates, and superheat limits. However, a truly comprehensive model has been difficult given that the LFP varies dramatically for different fluids and is affected by system pressure, surface roughness and liquid wettability. Here, we identify the vapor film instability for small length scales that ultimately sets the collapse condition at the Leidenfrost point. From a linear stability analysis, it is shown that the main film stabilizing mechanisms are the liquid-vapor surface tension, viscous transport of vapor mass, and evaporation at the liquid-vapor interface. Meanwhile, van der Waals interaction between the bulk liquid and the solid substrate across the vapor phase drives film collapse. This physical insight into vapor film dynamics allows us to derive an ab-initio, mathematical expression for the Leidenfrost point of a fluid. The expression captures the experimental data on the LFP for different fluids under various surface wettabilities and ambient pressures. For fluids that wet the surface (small intrinsic contact angle), the expression can be simplified to a single, dimensionless number that encapsulates the nanoscale instability governing the LFP.

연구 동기 및 목표

• 라이덴프로스트 점에서 증기 필름 붕괴를 유도하는 기본 물리 메커니즘을 규명하는 것.
• 다양한 유체, 압력 및 표면 침윤성 조건에서 라이덴프로스트 점을 예측하는 데 오랫동안 해결되지 않은 과제를 해결하는 것.
• 나노스케일 필름 불안정성에 기반한 종합적이고 원천에서 유도된 라이덴프로스트 점 모델을 개발하는 것.
• 표면 장력, 점성 증기 이동, 기화 및 반데르발스 힘의 역할을 포괄하는 단일 수학적 프레임워크로 실험 관측치를 통합하는 것.

제안 방법

• 증기 필름의 선형 안정성 분석을 수행하여 주요 불안정성 및 안정성 메커니즘을 규명하는 것.
• 액체-증기 경계에서 기화가 일어나는 얇은 액체-증기 인터페이스로 증기 필름을 모델링하는 것.
• 주요 안정성 효과인 액체-증기 표면 장력, 증기의 점성 질량 이동, 계면 기화를 포함하는 것.
• 증기 갭을 끼고 액체 본체와 고체 기초 사이의 반데르발스 힘이 불안정성에 기여하는 영향을 포함하는 것.
• 차원 없는 척도를 사용하여 원천에서 유도된 라이덴프로스트 점 수식을 유도하는 것.
• 다양한 유체, 표면 침윤성 및 대기압 조건에서 실험 데이터와의 비교를 통해 모델을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이덴프로스트 점에서 증기 필름 붕괴를 지배하는 나노스케일 물리 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 표면 침윤성과 대기압은 다양한 유체에서 라이덴프로스트 점에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 표면 장력, 점성 이동, 기화 중 어떤 안정성 메커니즘이 증기 필름 안정성 유지에 주요 기여를 하는가?
• RQ4 empirical 피팅이 아닌 원천에서 유도된 원리로 라이덴프로스트 점을 얼마나 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ5 침윤성 유체의 경우 단일 무차원 수로 나노스케일 불안정성을 압축할 수 있는가?

주요 결과

• 라이덴프로스트 필름 붕괴의 주요 원인은 증기 필름을 끼고 액체 본체와 고체 기초 사이의 반데르발스 상호작용이다.
• 모델은 다양한 유체, 표면 침윤성 및 대기압 조건에서 라이덴프로스트 점을 정확히 예측한다.
• 침윤성 유체(작은 본질적 접촉역행)의 경우 라이덴프로스트 점 수식은 나노스케일 불안정성을 압축하는 단일 무차원 수로 단순화된다.
• 액체-증기 표면 장력, 점성 증기 이동 및 계면 기화가 증기 필름의 주요 안정성 메커니즘으로 규명된다.
• 유도된 원천에서 유도된 수식은 이전의 반경험적 모델의 한계를 넘어 라이덴프로스트 점에 대한 원천에서 유도된 설명을 제공한다.
• 모델은 라이덴프로스트 점(LFP) 변화의 실험적 경향성을 기본적인 분자 간 상호작용 및 유체역학적 힘과 통합한다.