分离压驱动的模拟树木中水分蒸腾

我们呈现了一项利用连续介质模拟对 100 m 高树木中水分蒸腾的研究。研究发现，蒸发过程中在液-气弯月面处分离压可诱导高达 -23.5 atm 的绝对负压，从而提供了对蒸腾机制充分的独立解释。本工作中，我们首先基于先前的实验发现，推导出水中液膜分离压作为距表面距离的函数表达式。随后将该表达式植入商业计算流体动力学求解器，并模拟了分离压对高度介于 59 nm 至 1 微米纳米通道中水芯吸的影响。模拟结果与实验数据高度吻合，从而证明并验证了近表面分子相互作用可通过分离压项整合进连续介质数值模拟。在此实现之后，我们采用由连接地面水箱的纳米孔与管道组成的域，模拟了被动水分输送跨越 100 m 高度的蒸腾过程，由此模拟树木的气孔-木质部-土壤路径。通过改变纳米孔中液-气界面的蒸发速率，估计了对自然产生的压差与液体流速的影响。进一步，我们进行了动力学理论分析，以研究绝对负液膜压力与调节系数对蒸腾过程中可行最大质量通量的联合效应。连续介质模拟与动力学理论共同重申了树木高度存在上限。此处开发的数值模型善于被用于设计与推进若干其他基于纳米流体的自然与工程系统。