质量_热量传递过程中的Marangoni效应VIP专享VIP免费

收稿:2002年2月,收修改稿:2002年7月*国家自然科学基金资助项目(No.20076032)**通讯联系人e-mail:ysha@tju.edu.cn质量、热量传递过程中的Marangoni效应*沙勇成弘**余国琮(天津大学化学工程研究所天津300072)摘要由质量、热量传递引发,表面张力梯度驱动的Marangoni效应不但对化学工程、材料工程和热能工程等领域里的一系列过程具有重要的影响,而且是非线性耗散系统理论研究的一个具有实际意义的课题。对Marangoni效应的实验及理论研究有助于增进对微观传热、传质机理的理解,它的合理利用也可能提高某些过程的效率。迄今为止,对Marangoni效应的认识还不能满足理论研究和工程应用的要求。近期在各相关领域内对Marangoni的研究十分活跃,本文回顾了这些研究成果。关键词Marangoni现象质量传递热量传递非线性中图分类号:TQ021文献标识码:A文章编号:1005-281X(2003)01-0009-09MarangoniEffectintheMassandHeatTransportProcesses*ShaYongChengHong**YuGuozong(ChemicalEngineeringResearchCenter,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)AbstractMarangonieffectaccompaniedwithheatandmasstransportprocesseshasimportantinflu-enceonchemicalengineering,materialengineering,thermalengineeringandotherfields.Itisalsoanidealprobleminnonlinearscience.TheexperimentalandtheoreticalstudiesonMarangonieffectcannotonlypromotetheunderstandingofmicrocosmicmechanismofheatandmasstransfer,butalsoimprovetheeffi-ciencyoftransportprocesses.However,uptothepresent,one′sknowledgeonMarangonieffectisstillin-sufficienttomeettheneedofboththeoryandpractice.Recently,theresearchinthisareaisveryactive.ThispaperreviewstheexperimentalandtheoreticalstudiesonMarangonieffect.KeywordsMarangonieffect;masstransfer;heattransfer;nonlinear一、引言由热量传递和质量传递引发的Marangoni效应不但是研究非线性耗散系统的一个理想课题,而且对化学工业中的传热、传质过程以及材料科学中的合金、晶体制备有着显著的影响,是一个具有理论和实用价值的研究对象。Marangoni效应通常用无因次数Marangoni数Ma来表征:Ma=d��/(D�),当传热、传质过程中界面与主体相表面张力差��>0,即Ma>0且超过一定的临界值时,表面张力梯度将引发Marangoni不稳定性,这种不稳定性可导致宏观流体流动,流动通常以规则优美的几何形状呈现,又被称之为Marangoni对流。从促使表面张力梯度产生的诱导因素划分,可分为温度驱动的Marangoni对流和浓度驱动的Marangoni对流[1]。长期以来,普遍认为Marangoni对流只是在界面处存在,强度较小,因此研究者考虑对实际应用中传热、传质效率的影响因素时,往往予以忽略。Marangoni效应更多的是作为非线性理论工作者研究的一个良好对象[2,3]。随着对传热、传质微观机理第15卷第1期2003年1月化学进展PROGRESSINCHEMISTRYVol.15No.1Jan.,2003的深入研究,人们发现Marangoni效应的作用不容忽略。在许多传热、传质过程中出现的传递速率异常现象往往归因于Marangoni效应的产生;在晶体制备、制药、冶金等领域,传热、传质导致的Marangoni效应对产品的纯度、质量往往也有着重要的影响。因此利用Marangoni效应增进传递效果、优化产品质量的可能性[4—6]等问题被提了出来。除了针对传统的传热、传质过程,现在Marangoni对流的研究范围已经扩展到了各个领域,例如Sharma[7]在为隐形眼镜配置的缓冲溶液中添加能促使Marangoni对流产生的物质,促使角膜液膜液体得到连续的刷新和补充,可有效避免眼痛和干眼的发生;Lyford[8]则研究了Marangoni效应对多孔岩石石油矿藏中石油开采的增强作用。值得注意的是现阶段对Marangoni效应的研究还不充分,这在一定程度上限制了其进一步的应用,部分原因在于对界面物化性质认识的匮乏,以及难以对其行为做出完备的非线性理论解释。但是,考虑到Marangoni效应巨大的实际及理论价值,在这一领域开展深入的研究是非常有意义的。二、Marangoni效应的实验观测1.Marangoni对流流场的显示Marangoni效应出现时引发液相主体流动不稳定性,导致流体流动。在液相湍动时,由于主体...