Испарение жидкой лежащей капли в условиях вынужденной конвекции

Результаты экспериментов по измерению скорости испарения с поверхности жидкой лежащей капли в воздух указывают, что конвективные потоки над поверхностью увеличивают скорость испарения. Однако данные относительно того, в какой мере конвекция влияет на процесс испарения, сильно разнятся, часто противоречивы и требуют уточнения. В работе проведен численный анализ испарения с поверхности капли воды в нейтральный газ – воздух в присутствии конвективных течений в газовой фазе. Капля располагается на горизонтальной, гладкой, изотермической подложке, рассмотрена мода с постоянным углом смачивания. Задача решена в осесимметричном приближении, течения вынужденной конвекции, совместимые с условиями симметрии, представлены потоками, направленными вниз вдоль оси системы и расходящимися по сторонам вблизи капли и подложки. Математическая модель учитывает влияние сил поверхностного натяжения, тяготения и вязкости в обеих средах, возможную свободную гравитационную конвекцию в газовой и жидкой средах, конвекцию Марангони в капле и построена для испарения, контролируемого диффузией в газовой фазе. Получены результаты, свидетельствующие о взаимном влиянии жидкой и газовой сред: капля колеблется под влиянием движений в атмосфере, что порождает волну плотности в газе: колеблющаяся капля «звучит». Величина скорости в жидкой среде в 50 раз меньше характерной скорости в воздухе. Обнаружено, что скорость испарения не изменяется в присутствии течений вынужденной конвекции, что противоречит большинству экспериментальных работ. Предположительная причина расхождений заключается в возникновении неравновесных условий на границе конденсированной фазы, при которых режим испарения перестает быть диффузионным.

1. Borodulin V.Y., Letushko V.N., Nizovtsev M.I., Sterlyagov A.N. Determination of parameters of heat and mass transfer in evaporating drops.International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017;109:609−618. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.02.042

2. Ljung A.-L., Lundström T.S. Evaporation of a sessile water droplet subjected to forced convection in humid environment. Drying Technology. 2019;37(1):129−138. https://doi.org/10.1080/07373937.2018.1441866

3. Конторович И.И. Уровень техники и тенденции разви-тия технических решений для интенсификации испа-рения с водной поверхности. Научный журнал Россий-ского НИИ проблем мелиорации. 2016;1(21):241−256.

4. Jeong S.W., Lee D.H. Drying performance of a dishwasher with internal air circulation. Korean Journal of Chemical Engineering. 2014;31(9):1518−1521. https://doi.org/10.1007/s11814-014-0194-0

5. Chen Y., Askounis A., Koutsos V., Valluri P., Takata Y., Wilson S.K., Sefiane K. On the effect of substrate viscoelasticity on the evaporation kinetics and deposition patterns of nanosuspension drops. Langmuir. 2020;36(1):204−213. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b02965

6. Hatte S., Pandey K., Pandey K., Chakraborty S., Basu S. Universal evaporation dynamics of ordered arrays of sessile droplets. Journal of Fluid Mechanics. 2019;866:61−81. https://doi.org/10.1017/jfm.2019.105

7. Tang R., Etzion Y. Comparative studies on the water evaporation rate from a wetted surface and that from a free water surface. Building and Environment. 2004;39(1):77−86. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2003.07.007

8. Jodat A., Moghiman M. An experimental assessment of the evaporation correlations for natural, forced and combined convection regimes. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2012;226(1):145−153. https://doi.org/10.1177/0954406211413961

9. Al-Shammiri M. Evaporation rate as a function of water salinity. Desalination. 2002;150(2):189–203. https://doi.org/10.1016/S0011-9164(02)00943-8

10. Vyatkin G.P., Korenchenko A.E., Izmailov Yu.G. Evaporation of liquids under conditions of free convection. Doklady Physics. 1998;43(11):700−702.

11. Dalton J. Experimental essays on the constitution mixed gases: on the force of steam or vapor from water and other liquids in different temperatures, both in a Torricelli vacuum and in air; on evaporation and on the expansion of gases by heat. Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester. 1802;5:536−602.

12. Boetler L.M.K., Gordon H.S., Griffin J.R. Free evaporation into air of water from a free horizontal quiet surface. Industrial and Engineering Chemistry. 1946;38(6):596−600. https://doi.org/10.1021/ie50438a018

13. Pauken M.T., Tang T.D., Jeter S.M., Abdel-Khalik S.I. Novel method for measuring water evaporation into still air. ASHRAE Transactions. 1993;99(1):297−300.

14. Guéna G., Poulard C., Voué M., De Coninck J., Cazabat A.M. Evaporation of sessile liquid droplets. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2006;291(1−3):191−196. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2006.07.021

15. Kelly-Zion P.L., Pursell C.J., Vaidya S., Batra J. Evaporation of sessile drops under combined diffusion and natural convection. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2011;381(1−3):31−36. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2011.03.020

16. Korenchenko A.E., Beskachko V.P. Oscillations of a sessile droplet in open air. Physics of Fluids. 2013;25(11):2106. https://doi.org/10.1063/1.4829025

17. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных си-стем. М.: МЭИ; 2000. 374 с. ISBN 978-5-383-00036-6

18. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation. Geneva: World Meteorological Organization (WMO); 2008. 681 p. URL: https://www.weather.gov/media/epz/mesonet/CWOP-WMO8.pdf

19. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в ме-ханике сплошных сред. М.: Физматлит; 1994. 448 с. ISBN 5-02-014986-1

20. Korenchenko A.E., Malkova J.P. Numerical investigation of phase relationships in an oscillating sessile drop. Physics of Fluids. 2015;27(10):2104−2111. https://doi.org/10.1063/1.4932650

21. Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М.: Мир; 1985. 448 с.

22. Bird R., Stewart W., Lightfoot E. Transport Phenomena. John Wiley & Sons, Inc.; 2002. 687 p.