Marangoni效应

Marangoni效应

流体流量,传热和质量传输流体流量:节约动量,质量和能量Marangoni效应

了解Marangoni效应

当两个阶段之间的界面处的表面张力梯度梯度 - 在大多数情况下,即液态气体界面时,就会发生marangoni效应。表面张力通常由于溶质浓度,表面活性剂浓度和沿界面的温度变化而发生变化。

在某些共晶或多组分液体中,可以通过改变表面溶质的浓度或添加表面活性剂来改变表面张力的梯度梯度的方向。根据流体,可能会产生相当强的对流运动。这会导致表面的剪切应力,类似于风能产生的剪切应力。

在浓度驱动表面张力变化的情况下,marangoni效应称为溶剂毛细血管效应。在表面张力随温度变化的情况下,marangoni效应称为热毛细血管效应。两种效果都可以同时发生。

模拟Marangoni对流。 将热量施加到自由表面的模拟。显示等温线,速度箭头和流线,说明了针对外部冷边界的运动。此示例描述了与温度依赖性有关的热毛细血管效应。 将热量施加到自由表面的模拟。显示等温线,速度箭头和流线,说明了针对外部冷边界的运动。此示例描述了与温度依赖性有关的热毛细血管效应。

Marangoni效应与毛细管效应

重要的是,Marangoni效应不会与纯正混淆毛细管效应。毛细管在界面或水滴的形状处负责弯月面。一小滴液体的典型尺寸来自表面张力力之间的平衡和静水压力。规模称为毛细管长度,可以从:

这里,是N/M的表面张力是在kg/m中形成液滴的流体密度3, 和是m中的重力吗2/s。

在水里,= 20°C下的72.8e-3 N/m。因此,毛细管长度在水的2至3毫米范围内。这提供了一个很好的估计值,该水滴的直径仅在桌子上放在桌子上。高于此维度,重力变得越来越多。在此维度下方,毛细管通常比重力的影响大得多。对于等温系统,所有这些都是正确的。

但是,当弯月板存在并且溶质从液体表面蒸发(例如,水溶液中的乙醇)时,浓度可能会沿液体表面出现。这些梯度的原因是,与半月板相比,在平坦的表面上更快地更换了蒸发溶质,因为在平坦界面处从大块到表面的溶质传输速度更快。从某种意义上说,这将毛细管效应和Marangoni效应联系起来。

Marangoni效应会产生葡萄酒的眼泪。 酒精浓度梯度是由酒精从大体到平坦表面以及从大体到弯月面的运输速率差异引起的,导致表面张力梯度和葡萄酒的泪水形成。 酒精浓度梯度是由酒精从大体到平坦表面以及从大体到弯月面的运输速率差异引起的,导致表面张力梯度和葡萄酒的泪水形成。

Marangoni效应可以在两个尺寸的范围内发生 - 微流体和较大的仪表尺度。重要的是表面张力的变化 - 例如,相对于热诱导的Marangoni效应的温度。热诱导的marangoni效应的尺度与界面切向方向的温度梯度有关。

一个变体然后可能来自热或成分(浓度)效应:

表示温度和浓度。

是N/M/K中表面张力的热依赖性。使用绝对值,以使非二维Marangoni数保持正值。

类似的定义适用于表面张力的组成依赖性。

图显示了Marangoni对流,温度差异增加。 随着温度差异的增加,Marangoni效应变得更加明显。 随着温度差异的增加,Marangoni效应变得更加明显。

热诱导的marangoni效应将剪切应力的正常成分与温度的切向导数相关联。对于不可压缩的液体而在层流中没有压力贡献的情况下,它写为:

这是一个边界条件,该条件在流体的自由表面(通常是气液界面),该边界是用该模型的Navier-Stokes方程

Marangoni号码是给出热毛细血管效应与粘性力之间比率的无量法数。

是系统中系统的长度比例是系统中整个系统的最大温度差,是kg/s/m的动态粘度,以及是M中的热扩散率2/s。

您可能更喜欢重新排列以下内容:

在哪里是M中的运动粘度2/s。

以这种格式写的是,与瑞利数字有一个类比,这与由于阿基米德力而引起的偶联传热相关。

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,很容易得出等效的雷诺数为:

是prandtl编号,这是感兴趣的流体的特征。

与雷诺数一样,流动表征与marangoni数的典型数量级在很大程度上取决于几何形状。但是,Marangoni数字高于1·105即使不动荡,通常会产生不稳定的流动。

Marangoni效应的影响

首先在现象中指出葡萄酒的眼泪,在各种表面化学和流体流动过程中都观察到了Marangoni效应。

焊接

焊接是必须考虑Marangoni效应的制造过程。当焊接过程中的碱金属达到其熔点时,形成了焊接池。这些池中的Marangoni力可以影响流量和温度分布,并修改熔融池的延伸。这可能会导致材料内部的应力以及变形。

晶体生长

半导体通常由晶格结构组成。开发纯晶体(例如硅)的过程包括纯化金属,该金属始于熔化固体。在纯化过程中,必须允许在液相中进行对流,以使通常比金属轻的氧化物这样的杂质有时间分离。另外,必须调节传热,以便控制凝固锋的形状。

Marangoni效应的力会影响晶体的生长,从而导致结构内的断层。这些断层可以抑制材料的半导体功能,并导致设备内部的缺陷。

电子束熔化

使用电子束作为电源,可以将金属粉末融化以制造机械零件。这种添加剂制造方法在医疗植入物和航空航天行业的开发中越来越受欢迎。在熔化过程中,大型热梯度可以在熔体内产生Marangoni力。这种力有可能对材料的质量产生负面影响。

发布:2015年7月2日
最后修改:2017年2月21日