[论文解读] 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 1

一句话总结

本文识别出纳米尺度蒸气膜不稳定性——由蒸气间隙中范德华力驱动——是导致莱德福夫蒸气膜坍塌的根本机制。通过线性稳定性分析，推导出一个从头开始的数学表达式，用于描述莱德福夫点，该表达式考虑了表面润湿性、压力和流体性质，能精确预测实验数据，并在润湿流体情况下简化为单一无量纲数。

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.

研究动机与目标

• 识别在莱德福夫点触发蒸气膜坍塌的潜在物理机制。
• 解决长期存在的挑战：在不同流体、压力和表面润湿性条件下预测莱德福夫点。
• 基于纳米尺度膜不稳定性，建立一个全面的、基于第一性原理的莱德福夫点模型。
• 将实验观测统一到一个单一的数学框架中，以捕捉表面张力、粘性蒸气输运、蒸发以及范德华力的作用。

提出的方法

• 对蒸气膜进行线性稳定性分析，以识别主导的失稳和稳定机制。
• 将蒸气膜建模为具有液-汽界面边界蒸发的薄液-汽界面。
• 纳入关键的稳定效应：液-汽界面张力、蒸气的粘性质量输运以及界面蒸发。
• 包含液相本体与固体基底之间通过蒸气间隙产生的范德华力的失稳影响。
• 使用无量纲量纲化方法，从第一性原理推导出莱德福夫点的从头开始的数学表达式。
• 在多种流体、表面润湿性及环境压力条件下，通过实验数据验证该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在莱德福夫点，何种纳米尺度物理机制控制蒸气膜的坍塌？
• RQ2 表面润湿性和环境压力如何影响不同流体的莱德福夫点？
• RQ3 在维持蒸气膜稳定性方面，哪些稳定机制——表面张力、粘性输运或蒸发——占主导地位？
• RQ4 在多大程度上可以基于第一性原理而非经验拟合来预测莱德福夫点？
• RQ5 是否可以使用一个单一的无量纲数来概括润湿流体的纳米尺度不稳定性？

主要发现

• 莱德福夫蒸气膜坍塌的主要驱动力是液相本体与固体基底之间通过蒸气膜产生的范德华相互作用。
• 该模型在不同流体、表面润湿性和环境压力条件下均能精确预测莱德福夫点。
• 对于润湿性流体（本征接触角较小），莱德福夫点表达式可简化为一个单一的无量纲数，以捕捉纳米尺度不稳定性。
• 液-汽界面张力、粘性蒸气输运和界面蒸发被识别为蒸气膜稳定性的主要稳定机制。
• 所推导的从头开始的表达式提供了对莱德福夫点的第一性原理解释，克服了以往半经验模型的局限性。
• 该模型将莱德福夫点变化的实验趋势与基本的分子间作用力和流体动力学力统一起来。