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凝聚态物理 > 软凝聚态物理

arXiv:2501.01340 (cond-mat)
[提交于 2025年1月2日 ]

标题: 疏水纹理表面上的近距离熔化:受限效应和弯月面效应

标题: Close-contact melting on hydrophobic textured surfaces: Confinement and meniscus effects

Authors:Nan Hu, Liwu Fan, Xiang Gao, Howard A. Stone
摘要: 我们研究了在气体被困的疏水表面上的近距离接触融化(CCM)的动力学,特别关注几何约束和液体薄膜下方的液气弯月面的影响。 通过采用双重级数和摄动方法,我们获得了与速度$\lambda$和温度$\lambda_t$场相关的有效滑移长度的数值解,覆盖了各种长宽比$\Lambda$(定义为液体膜厚度$h$与结构周期长度$l$的比值)和气液分数$\phi$的值。 渐近解的$\lambda$和$\lambda_t$对$\Lambda\ll 1$和$\Lambda \gg 1$进行了推导和总结,针对不同的表面结构、界面形状和$\Lambda$,揭示了$\lambda$和$\Lambda \ll 1$的不同趋势以及弯月面的存在。在恒压 CCM 的背景下,我们的结果表明,横向沟槽表面始终降低了传热。 然而,纵向沟槽在受限和弯月面效应下可以增强传热,当$\Lambda \lessapprox 0.1$和$\phi < 1 - 0.5^{2/3} \approx 0.37$时。 对于重力驱动的CCM,参数$l$和$\phi$决定熔化速率是增强、减少还是几乎不受影响。 我们基于参数矩阵$(\log_{10} l, \phi)$构建了一个相图,以区分这三种区域。 最后,我们推导了两个渐近解,用于预测未熔固体高度随时间的变化。
摘要: We investigate the dynamics of close-contact melting (CCM) on gas-trapped hydrophobic surfaces, with specific focus on the effects of geometrical confinement and the liquid-air meniscus below the liquid film. By employing dual-series and perturbation methods, we obtain numerical solutions for the effective slip lengths associated with velocity $\lambda$ and temperature $\lambda_t$ fields, across various values of aspect ratio $\Lambda$ (defined as the ratio of the film thickness $h$ to the structure's periodic length $l$) and gas-liquid fraction $\phi$. Asymptotic solutions of $\lambda$ and $\lambda_t$ for $\Lambda\ll 1$ and $\Lambda \gg 1$ are derived and summarized for different surface structures, interface shapes and $\Lambda$, which reveal a different trend for $\lambda$ and $\Lambda \ll 1$ and the presence of a meniscus. In the context of constant-pressure CCM, our results indicate that transverse-grooves surfaces consistently reduced the heat transfer. However, longitudinal grooves can enhance heat transfer under the effects of confinement and meniscus when $\Lambda \lessapprox 0.1$ and $\phi < 1 - 0.5^{2/3} \approx 0.37$. For gravity-driven CCM, the parameters of $l$ and $\phi$ determine whether the melting rate is enhanced, reduced, or nearly unaffected. We construct a phase diagram based on the parameter matrix $(\log_{10} l, \phi)$to delineate these three regimes. Lastly, we derived two asymptotic solutions for predicting the variation in time of the unmelted solid height.
主题: 软凝聚态物理 (cond-mat.soft) ; 流体动力学 (physics.flu-dyn)
引用方式: arXiv:2501.01340 [cond-mat.soft]
  (或者 arXiv:2501.01340v1 [cond-mat.soft] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01340
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: J. Fluid Mech. 1010 (2025) A46
相关 DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2025.385
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来自: Nan Hu [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 1 月 2 日 16:46:11 UTC (874 KB)
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