电场对固着液滴蒸发过程中内部热流特性的影响

《Micromachines》：Effect of Electric Field on Internal Heat-Flow Characteristics During Evaporation of a Sessile Droplet

　　

电场增强蒸发是一种降低蒸发过程能耗的创新方法。为了研究电场对蒸发过程中液滴热通量特性的影响，研究人员数值模拟了在平行板电极配置下，固着液滴在固体基底上的蒸发过程。结果表明，增加板电压（从2 kV到4 kV）可以显著增强表面流动速度，在蒸发早期最大增幅达到157%；然而，这种增强随蒸发进行而减弱。在较高电压下，液滴内部流场从单循环结构转变为双循环结构，而电压对液滴整体内部温度梯度的影响有限，最大温差保持在1 K以下。当环境温度低于308.15 K时，电场对蒸发的增强最为显著：与自然（无场）蒸发相比，干燥时间缩短约15.5%。然而，当环境温度超过308.15 K时，电场增强效果明显下降。这些发现为电场辅助蒸发技术提供了理论基础，并为参数优化指明了方向。

蒸发作为自然界与工程应用中普遍的相变传质过程，在工业分离、能量转换和环境修复等领域至关重要。传统蒸发依赖外部加热，通过提高液体温度、增大气液界面面积或强化气相对流来提升速率，但水的高汽化潜热使得传统热蒸发在浓缩高盐废水、海水淡化、湿度控制、喷雾干燥、电子冷却及微流体传质等应用中能耗极高。近年来，外场调控技术发展迅速，电场因其非接触、可控、快速响应和易集成等优势，在液滴操控、强化蒸发及界面输运研究中得到广泛应用。然而，对于固着于壁面的液滴在蒸发过程中内部热流结构的演化规律，目前认识仍不充分。为此，研究人员开展本研究，旨在阐明外部电场如何影响固着液滴的蒸发动力学与内部热流动力学，揭示电场强化蒸发的传热主导机制，为电场辅助蒸发换热装置、微尺度热管理及精确液滴操控提供理论指导。该研究成果发表在《Micromachines》期刊上。

**主要关键技术与方法**
研究人员采用COMSOL Multiphysics 6.0软件进行数值模拟，构建二维对称模型。使用移动网格方法（moving mesh method）耦合层流两相流模块（laminar two-phase flow module）追踪气液界面，并在任意拉格朗日-欧拉（ALE）框架下实现界面运动与网格位移同步。静电方程描述电场（electric field, E），通过麦克斯韦应力张量（Maxwell stress tensor）将电场力以体积力形式加入纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）。蒸发通量通过菲克扩散定律（Fick's law）和安托万方程（Antoine equation）计算饱和蒸气压。模型假设液滴为球冠、不可压缩流动、忽略离子风效应及马兰戈尼效应（Marangoni effect），且液滴始终保持固着（恒定接触半径模式，CCR）。初始液滴体积5 μL，初始接触角90°，电极间距固定为5 mm，网格独立性验证保证计算精度。

**研究结果**
**3.1 电场强度对液滴内部热流特性的影响**
通过对比平行板电压0 kV、2 kV和4 kV下的液滴内部温度与速度分布，研究人员发现：无电压时液滴内部为单循环结构；施加2 kV电压后内流方向反转；升至4 kV时形成双循环区。表面流动速度从液滴顶部向三相接触线先增后减，且高速区随蒸发向顶部迁移。在蒸发初期（t=5 s），电压从2 kV升至4 kV使表面流速峰值提高157%（从9.8 mm/s增至25.2 mm/s），平均流速提高150%；随蒸发进行（t=600 s），增幅分别降至131%和53.8%。中心线速度分布显示，高电压下出现双峰，表明双循环结构存在低速交界区；早期电压升高能提高中心线峰值速度但降低平均速度，随蒸发进程两者均增加。沿液面温度从顶部向接触线缓慢下降后靠近基底处急升，电压升高使顶部与接触线温差增大，但液滴内部最大温差始终小于1 K，温度梯度对局部饱和蒸气压影响可忽略。液滴高度随时间近线性下降，而体积的2/3次方与时间呈线性关系，符合经典蒸发定律。自然蒸发干燥时间（失去95%体积）为1060 s，当电压依次为1、2、3、4、5 kV时，干燥时间分别为1050、1030、1000、960、910 s，显示干燥时间随电压非线性单调递减，高电压下缩短更显著。

**3.2 电场作用下温度对液滴蒸发的影响**
研究人员发现环境温度升高会削弱电场的增强效果。在t=200 s时，无电场条件下温度升高不改变内部循环位置；5 kV电压下双循环结构中的强循环区靠近三相接触线，随温度升高和蒸发加速，双循环合并为单循环，中心向下移动。表面流速在蒸发初期（5 s）随温度升高而增大（298.15 K时峰值33.7 mm/s，318.15 K时37.2 mm/s），但150 s后高温下平均流速反而明显下降，表明此时电场已无法通过提高表面流速来强化蒸发。中心线平均流速在100 s后即开始随温度升高而降低，转折早于液面。不同环境温度下比较有无电场（5 kV）的干燥时间：相对于自然蒸发，在298.15 K、303.15 K、308.15 K、313.15 K、318.15 K时，电场分别缩短蒸发时间150 s、130 s、110 s、60 s、20 s，缩短比例分别为14.2%、14.7%、15.5%、10.5%、4.7%。可见电场增强蒸发在环境温度308.15 K时效果最佳，超过该温度后增强作用显著减弱。

**讨论与结论**
研究人员通过构建耦合热-质的电场下液滴蒸发模型，系统研究了电场参数和环境温差对液滴内部热流特性的影响，为可控蒸发、精细热管理及微尺度流体操控提供了参考。主要结论如下：(1) 增大平行板电压从2 kV至4 kV可显著增强液面流动：蒸发初期表面流速峰值提高157%，平均流速提高150%；随蒸发进行增强减弱，至600 s时增幅分别降至约131%。(2) 高电压会改变液滴内部流场结构，使单循环转变为双循环区域，但电场对液滴内部温度梯度影响不显著，最大温差小于1 K。(3) 电场增强效果在环境温度≤308.15 K时最强，5 kV电压下干燥时间相比自然蒸发最多缩短15.5%（308.15 K时）；超过308.15 K后效果大幅减弱，例如318.15 K时仅缩短4.7%。