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冰冻滴落的液珠 精选

已有 4142 次阅读 2016-12-3 23:18 |个人分类:生活与自然|系统分类:科研笔记| 流体, 冷冻, 液珠, 裂层

当一个小液珠从高空落下,重重的砸在地上,小液珠瞬间支离破碎,四溅出去,这是再常见不过的现象了。E.Ghabache和她的同事们好奇一个问题:当液珠击打到一个极低温度的固体表面,会发生什么事情呢?于是,他们做了一个很有意思的实验,让液珠击打在0-60度的表面,发现了一些很有意思的现象。

1:液珠刚刚击打到冰冷的表面时的状态。类似一张摊开的饼,半径为R,厚度为h0,基底温度为Ts,厚度h(t)以内的液体都已经结冰,而上层的液体则刚好处于冰点即T0=0度。

  数百年前,人们就发现当熔融的玻璃液珠滴落到冷水中的时候,液珠外围比中心更冷,收缩的更快,从而产生了分层的表面张力。在不到一毫秒的时间内,整个液珠最终变成无数的碎片。而当液珠击打到冰冷的表面的时候,也有类似的情况,此时,先是液珠成为碎裂(Fragmentation)状,这个是一个非常快速的过程,整个研究的空间被迅速划分成不同的区域。

2(a)液珠从36厘米高度落下的结果,温度分别为Ts=-20.0,-31.1,-41.2,-50.3,-59.6摄氏度,不同的结果可以归结为三个类型,即1.无裂纹型,2.碎裂型,3.分层裂纹型,结果是随着deltaT在变化,不同类型之间的相变温度约为DeltaT=2742摄氏度;(b)液珠击打到零下31.1摄氏度时的表面的结果,即液珠的向四周扩散以及固化得整个过程;(c)液珠击打到零下59.6摄氏度时的结果。

3:常温下液珠击打到固体表面的结果.

与在常温下,类似的实验得到的结果相比,或许是因为冰层的原因,并没有观察到液珠的收缩。取而代之的,是在液珠向外扩散过程中,看见了毛细波在液珠表面的传播,并且产生了液珠的固化。对于液珠击打到冰冷的固体表面,不同的结果可以归结为三个类型,即1.无裂纹型--整个固态的液珠底部依然很平滑,2.碎裂型---裂纹开始从中心的“核”向外延伸,3.分层裂纹型---裂纹一步步形成。需要指出的是,碎裂型的结果产生于液珠整体固化之后,而对于分层裂纹的结果,则形成于固化的过程中,当基底成为了固态,而上层的液体仍然不断进行着形成裂纹的过程。

4:相图:经过更多细致的研究,最终可以得到不同的结果的相图。灰色区域为无裂纹型,红色区域为碎裂型,蓝色区域为分层裂纹型。

最终的结果可以反映在相图上,这个实验则为更好的研究断裂动力学(fracture mechanics)提供了一个很好的例子。


注1:文章为

E. Ghabache et.al., Frozen impacted drop: From fragmentation to hierarchical crack patterns, Phys.Rev.Lett., 117,074512(2016).

注2:图3来源于C. Josserand and S.T. Thoroddsen, Drop Impact on a Solid Surface, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 48: 365-391






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