Marangoni效果
了解Marangoni效果
当在大多数情况下,在大多数情况下,在大多数情况下,液体气体接口的表面张力梯度发生了Marangoni效应。表面张力通常由于溶液浓度,表面活性剂浓度和沿界面的温度变化而变化而变化。
在一些共析液或多组分液体中,通过改变表面处的溶质的浓度或通过加入表面活性剂,可以改变表面张力的梯度方向。取决于流体,可以产生相当强烈的对流运动。这导致表面剪切应力,类似于风可以产生的东西。
在浓度驱动表面张力变化的情况下,Marangoni效应被称为索特多卡拉里效应。在表面张力随温度变化的情况下,Marangoni效应被称为热量施用。这两种效果都可以同时进行。
Marangoni效应与毛细血管效应
重要的是,Marangoni效应并不与纯粹的效果混淆毛细血管效应。毛细管力负责界面处的弯月面,或水滴的形状。小液滴的典型尺寸来自表面张力之间的平衡和静水压力。尺寸被称为毛细管长度,可以估计:
这里,是n / m的表面张力,是在kg / m中形成液滴的流体的密度3., 和是m的重力2/ s。
在水里,= 72.8e-3 n / m在20℃。因此,毛细管长度在2至3mm的水范围内。这提供了一种良好的估计,其水滴的直径仅在桌子上休息。在该尺寸之上,重力变得越来越主要。低于该尺寸,毛细管力往往大于重力的影响。所有这一切都是真实的,适用于等温系统。
然而,当存在弯月面并且溶质从液体表面蒸发(例如,水溶液中的乙醇),浓度沿液体表面发生梯度。这些梯度的原因是与弯月面相比,蒸发溶质在平坦表面上更快地更换,因为在平坦的界面处更快地从体积到表面上的溶质转运。在某种程度上,这会连接毛细血管效应和Marangoni效果。
Marangoni效应可以在尺寸的两个范围内进行 - 微流体和较大的仪表尺度。重要的是表面张力的变化 - 例如,关于热诱导的Marangoni效应中的温度。热诱导的Marangoni效应有效的标度涉及在与界面相切的方向上的温度梯度涉及温度梯度。
一个变体然后可能来自热或组成(浓度)效果:
和和表示温度和浓度。
是在n / m / k中的表面张力的热依赖性。使用绝对值,以便非潜能的Marangoni号仍然是积极的。
类似的定义适用于表面张力的组成依赖性。
热诱导的Marangoni效应将剪切应力的正常组分涉及温度的切向衍生物。对于在层流中没有压力贡献的不可压缩的流体,它被写为:
这是一个边界条件,其在与之建模的流体(通常是气液界面)的自由表面上起作用Navier-Stokes方程。
这Marangoni号码是一种非统治的数量,其给出了热量效应与粘性力之间的比率。
是m中系统的长度比例,是k中系统上的最大温差差异,是kg / s / m的动态粘度,是m中的热扩散率2/ s。
您可能更愿意重新排列:
在哪里是m中的运动粘度2/ s。
以这种格式编写,有一个类比与由于Archimedes的力引起的缀合物传热相关的比喻。
所涉及的典型速度是热毛细管速度,热扩散速度和分子扩散速度。
基于此,很容易导出等效的雷诺数为:
是prandtl号码,它是感兴趣的流体的特征。
与雷诺数的情况一样,与Marangoni数量的流量表征的典型级数大大依赖于几何形状。但是,Marangoni数字1·105.如果不是湍流,通常会发展不稳定的流动。
Marangoni效应的影响
首先在现象中注意到酒的泪水,在各种表面化学和流体流程过程中已经观察到Marangoni效果。
焊接
焊接是一种制造过程,必须考虑Marangoni效果。当焊接期间的基础金属达到其熔点时,焊接池形式。在这些池中的Marangoni力量可以影响流量和温度分布并改变熔池延伸。这可能导致材料内的应力以及变形。
水晶生长
半导体通常由晶格结构组成。用于开发纯晶体(例如,硅)的方法包括纯化金属,其开始熔化固体。在纯化期间,必须允许在液相中的对流,使得诸如通常比金属较轻的氧化物等氧化物,具有分离。另外,必须对传热进行调节,使得控制凝固前正面的形状。
来自Marangoni效应的力量会影响晶体生长,导致结构内的故障。这些故障可以抑制材料的半导体能力并导致设备内的缺陷。
电子束熔化
使用电子束作为其电源,可以熔化金属粉末以制造机械部件。这种添加剂制造方法在医疗植入物和航空航天工业的发展中获得了普及。在熔化过程中,大的热梯度可以在熔体内产生Margoni力。这种力有可能对材料的质量产生负面影响。
发布时间:2015年7月2日最后修改:2017年2月21日