janvier 29, 2022

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La conduction thermique joue un rôle essentiel dans la dynamique des gouttelettes

À l’aide de méthodes d’imagerie à grande vitesse, des scientifiques de la McKelvey School of Engineering de Université de Washington à Saint-Louis Ils ont étudié une bulle microscopique piégée qui se forme lorsque des gouttelettes d’eau frappent une surface chaude, lisse et imperméable. Ils constatent que la conductivité thermique joue un rôle plus important qu’on ne le pensait auparavant dans la dynamique des gouttelettes sur les surfaces molles qui repoussent l’eau.

La bulle que les scientifiques ont étudiée ne mesurait que quelques centaines de microns. Il se forme à l’intérieur d’une goutte d’eau en aspirant de l’air en dessous et en s’échappant de la surface.

Patricia Wiesense, professeure agrégée de génie mécanique et de science des matériaux, a déclaré : « Nous créons des ondes capillaires sur la gouttelette parce que lorsque la goutte frappe, elle se comprime, et cela envoie un choc à travers la gouttelette et crée une gouttelette qui a la forme d’un gâteau circulaire avec une bulle d’air piégée au milieu. »

Les scientifiques ont testé des gouttelettes d’eau sur trois surfaces chauffées : le téflon et deux matériaux ayant la même chimie de surface : le PDMS, un matériau biocompatible ; et HTMS, un revêtement monocouche hydrophobe à base de silane. Par la suite, ils ont utilisé une imagerie infrarouge simultanée à grande vitesse et à grande vitesse pour déterminer le transfert de chaleur de la surface lisse à la goutte d’eau.

Ils ont constaté que la quantité de chaleur transférée de la surface lisse à la goutte d’eau augmente avec la vitesse de diffusion. Ils ont également découvert qu’une augmentation de la température de surface modifie la taille et la forme de la bulle.

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Fait intéressant, lors de la régression des gouttelettes, le transfert de chaleur total a été réduit de 5,6% et 7,1% à des températures de surface de 50 °C et 65 °C, respectivement, car la bulle a réduit la surface totale de l’interface liquide et solide. Bien que le processus prenne quelques secondes, il affecte considérablement l’efficacité du refroidissement et dynamique des gouttelettes de ces systèmes.

Weisensee a dit, « Nous avons découvert que la conduction thermique était la forme la plus importante de transfert de chaleur lors de l’impact des gouttelettes sur la convection ou l’évaporation. »

Les scientifiques ont également testé les gouttelettes sur une surface rugueuse. En raison du frottement accru, les gouttelettes présentaient une zone d’étalement plus petite, une zone de transfert de chaleur plus petite et, par conséquent, un taux de transfert de chaleur plus faible. Cela réduit l’efficacité, par exemple, des processus de refroidissement par pulvérisation.

Entreprise Il a ditEt « Bien que nous ayons utilisé des surfaces chaudes pour cette étude particulière, nos résultats ont également des implications pour d’autres systèmes où des gouttelettes ont un impact sur une surface, comme un pare-brise, une aile d’avion ou une pale d’éolienne. Par exemple, dans des conditions froides, vous Je ne veux pas que les gouttelettes restent là et gèlent. Le décollage est important pour ne pas inonder la surface ou accumuler trop de liquide dessus. Vous devez donc connaître l’interaction de la dynamique des gouttelettes et du transfert de chaleur. « 

Référence de la revue :

  1. Li J, Weisensee P. Effet des gouttelettes à faible nombre de Weber sur les surfaces hydrophobes chaudes. Experimental Science of Heat and Fluids, numéro 130, 1er janvier 2022, édition imprimée. EST CE QUE JE: 10.1016 / j.expthermflusci.2021.110503
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