[論文レビュー] The nanoscale instability driving Leidenfrost film collapse

Tom Y. Zhao, Neelesh A. Patankar|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2019

Fluid Dynamics and Thin Films参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、蒸気ギャップをはさんで働くファンデルワールス力に起因するナノスケールの蒸気膜不安定性が、ライデンフロスト膜の崩壊を引き起こす根本的メカニズムであると特定した。線形安定性解析を用いて、表面の親水性、圧力、および流体の性質を考慮した、ライデンフロスト点の原理的（ab initio）な数学的表現を導出した。この表現は実験データを正確に予測でき、親水性流体では単一の無次元数に簡略化される。

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.

研究の動機と目的

• ライデンフロスト点における蒸気膜崩壊を引き起こす物理的メカニズムを特定すること。
• 多様な流体、圧力、表面親水性の下でライデンフロスト点を予測するという長年の課題を解決すること。
• ナノスケール膜不安定性に基づいた、包括的かつ原理的（first-principles）なライデンフロスト点モデルを構築すること。
• 表面張力、粘性蒸気輸送、蒸発、およびファンデルワールス力の役割を統合した、実験的観察を統一する数学的枠組みを構築すること。

提案手法

• 蒸気膜の線形安定性解析を実施し、支配的な不安定化および安定化メカニズムを同定すること。
• 蒸気膜を液体-蒸気界面としてモデル化し、液体-蒸気界面における蒸発を考慮する。
• 主要な安定化効果（液体-蒸気界面の表面張力、蒸気の粘性質量輸送、界面での蒸発）を組み込む。
• 蒸気ギャップをはさんで液体の本体と固体基板の間に働くファンデルワールス力の不安定化効果を含める。
• 次元なしスケーリングを用いて、原理的（ab initio）なライデンフロスト点の数学的表現を第一原理から導出すること。
• 多様な流体、表面親水性、大気圧の下での実験データと照合して、モデルの妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ライデンフロスト点における蒸気膜崩壊を支配するナノスケールの物理的メカニズムは何か？
• RQ2 表面親水性および大気圧は、異なる流体においてライデンフロスト点にどのように影響を与えるか？
• RQ3 表面張力、粘性輸送、蒸発のうち、どの安定化メカニズムが蒸気膜の安定性を支配しているか？
• RQ4 ライデンフロスト点は、経験的フィッティングに頼らず、どの程度第一原理から予測可能か？
• RQ5 親水性流体において、単一の無次元数がナノスケール不安定性を要約できるか？

主な発見

• ライデンフロスト膜崩壊の主因は、蒸気膜をはさんで液体の本体と固体基板の間に働くファンデルワールス力である。
• 本モデルは、多様な流体、表面親水性、大気圧の下でライデンフロスト点を正確に予測できる。
• 親水性流体（小さい固有接触角）では、ライデンフロスト点の式が単一の無次元数に簡略化され、ナノスケール不安定性を捉えている。
• 液体-蒸気界面の表面張力、粘性蒸気輸送、界面での蒸発が、蒸気膜の安定性を支える主な安定化メカニズムであると特定された。
• 導出された原理的（ab initio）な式により、従来の準経験的モデルに見られる限界を克服し、ライデンフロスト点の第一原理的解釈が可能になった。
• 本モデルは、LFPの変動に関する実験的傾向を、分子間力および流体力学的力の基本的性質と統合的に説明できるようになった。