Leidenfrost 液滴的自组织振荡

在 Leidenfrost 效应中，液体与炽热固体之间形成一层薄薄的蒸发蒸气。即便单个 Leidenfrost 液滴，固、液、气三相之间的复杂相互作用也能导致丰富的动力学行为。本文研究由液滴下方恒定蒸气流激发的 Leidenfrost 液滴自组织振荡。我们表明，对于小 Leidenfrost 液滴，近期报道的“呼吸模式”的频率可由重力与表面张力的简单平衡解释。对于大 Leidenfrost 液滴，则观察到方位角星状振荡。我们此前的工作揭示了快速蒸气流与气液界面的耦合如何激发星状振荡（Ma et al., Phys. Rev. Fluids, 2, 2017, 031602）。在我们的实验中，在不同液体中观察到 n=2 至 13 的星状振荡模式，观察到的模式数目对液体黏度高度敏感。本文在此基础上直接将该振荡与理论预测比较，并展示振荡如何由蒸气层内压力振荡通过参数强迫机制启动。压力振荡由液滴下方特征波长的毛细波驱动。这些毛细波可由快速蒸气流在液气界面处产生的大剪切应力生成。我们还探讨了液体中热对流的潜在影响。尽管测得 Rayleigh 数显著大于临界值，振荡的频率（波长）仅取决于液体的毛细长度，且与液滴半径和基底温度无关。因此对流在 Leidenfrost 液滴振荡中似乎作用甚微，其本质上主要源于流体动力学。