葡萄酒的眼泪和Marangoni效应

尝试将一些葡萄酒倒入玻璃杯中。不要喝酒 - 这是一个科学实验。举起玻璃杯时，您会看到横向横向的泪珠。这些葡萄酒的眼泪是由Marangoni效应引起的，该效应描述了沿两个相之间的表面张力梯度引起的两个流体阶段表面的传质（例如液体和蒸气）。

葡萄酒的眼泪

期限葡萄酒的眼泪1865年由凯尔文勋爵的兄弟詹姆斯·汤姆森（James Thomson）于1865年首次创造。意大利物理学家卡洛·马龙诺（Carlo Marangoni）随后研究了该主题的博士研究，并于1865年发表了他的发现。Marangoni效应这会引起葡萄酒的眼泪和在表面化学和流体流中观察到的其他现象，以Marangoni及其研究命名。

葡萄酒的眼泪从玻璃的内部移动。

Marangoni的作用

研究你的杯子。你看到眼泪吗？如果没有，可能是因为您选择了低酒精含量的葡萄酒。如果您想看到葡萄酒的眼泪，那么酒精含量高的葡萄酒就更有可能表现出眼泪。酒精含量低的葡萄酒只能在酒精浓度和沿酒 - 空气界面的表面张力方面发生较小的变化，并且很少显示泪珠。上图中的葡萄酒具有13.5％的酒精含量，其较低的葡萄酒含量很高，但足够高以产生眼泪。

表面张力是两个阶段之间界面的特性。它描述了将界面的表面积扩展到一个单元所需的能量。您还可以将表面张力视为创建新表面积所需的每单位长度的力。下图说明了与蒸气接触的液相。表面分子（以红色显示）仅与蒸气分子（以橙色显示）相互作用很小，从而导致它们经历不对称的力，从而将液体的表面拉在一起。大部分液体（蓝色）中的分子在各个方向相互作用。为了扩大液体的表面积，大量分子必须向表面移动，从而破坏向上的相互作用。这样做需要精力。

液体中的表面张力与蒸气相互作用。表面（红色）的分子经历不对称相互作用。下面的分子（紫罗兰色）经历了更多的对称相互作用，而大体（蓝色）中的分子经历了更多的对称相互作用。

由于其氢键，水在大部分液体中具有很强的相互作用，因此它具有相对较大的表面张力，因为它需要破坏强相互作用。液体 - 蒸气界面的表面紧张取决于大部分液体中分子之间相互作用的强度。Marangoni效应是由上图中的液体蒸气界面表面表面张力梯度引起的流动。这样的梯度可能是由于沿该表面的溶液的组成或温度差异引起的。

我们可以通过将一层薄薄的水倒在盘子上，添加闪光或其他类型的轻质材料来更好地说明效果来了解其工作原理。水与闪光之间的相互作用是由于闪光颗粒为亲水性，或爱水。在表面中心添加一滴肥皂溶液，酒精，机油或任何具有对比度表面张力的液体，都会导致所有闪光立即赶到表面侧面，远离中心。

当您倒入肥皂时，肥皂分子在水面上形成薄膜（只有一个或几个分子）。表面经历了肥皂覆盖的部分与只有水的零件之间的表面张力差异，这会导致肥皂膜扩散，而闪光颗粒流向侧面 - marangoni效应。最终，肥皂分子覆盖了整个表面，从而降低了表面能，因为现在地表水分子也能够与肥皂分子的亲水端相互作用。

在下图中，实验在分子水平上进行了说明。闪光颗粒与水相反，而不是与肥皂相互作用，因为它们具有亲水性表面。当肥皂覆盖表面时，它们被挤压到侧面，因为他们“希望”继续与水分子相互作用。

将肥皂添加到水中时，表面张力会改变。肥皂是绿色的，一种带有烃“尾巴”的离子。散装中的水是蓝色的，在游离水面上是红色的，在肥皂覆盖的表面或紫罗兰色的紫色是蓝色的。

在葡萄酒的眼泪中，弯月面在酒杯墙，葡萄酒和空气之间的三相交界处形成。这是液体松散地紧贴玻璃表面的地方。半月板是因为玻璃的壁具有亲水性表面，例如闪光颗粒的表面。葡萄酒中的酒精含有高于水的速率（乙醇的蒸气压力高于水）的酒精，而葡萄酒的速度高于水），这也发生在半月板中。由于其较小的体积相关的表面积较高，因此酒精浓度在半月板中的降低速度更快。因此，它会在弯月面和葡萄酒和空气之间的平坦界面表面之间引起酒精浓度的差异。然后，这会导致表面张力梯度将弯月面移动到玻璃的墙壁上。

随着弯月面开始在玻璃墙的表面形成薄膜时，它变得更加耗尽酒精，进而导致较大的表面张力梯度。将更多的葡萄酒拉到玻璃的墙壁上，直到形成液滴。重力生效，葡萄酒的泪水从玻璃的侧面流下，然后回到大部分葡萄酒中。

葡萄酒形式的撕裂是由于半月板和葡萄酒平坦表面之间的表面张力（γ）梯度引起的。

这是一个三秒钟的时间视频，可以进一步说明：

建模Marangoni效应，一种喷射不稳定性模型

我们可以用COMSOL多物理学和微流体模块对Marangoni效应进行建模。首先，我们有一个教程模型来说明该概念 -喷气不稳定模型。该模型通过空间变化的表面张力系数模拟喷墨打印机和无限长液体射流的破裂。

有三种方法可以解决此模型：通过移动网格，级别集或相位字段方法。如果您转到应用程序库，则可以找到其中两个的模型说明（移动网格和级别设置方法）。正如我们在Fabrice Schlegel的博客文章中所看到的那样，移动网格方法比Level Set方法更快，更易于使用我应该使用哪种多相流接口？但是，如果玻璃侧面的葡萄酒层具有明确的厚度，我们只能使用移动的网格方法在葡萄酒的眼泪中对Marangoni效应进行建模。眼泪和其余的葡萄酒之间没有干燥的区域。如果是这样，我们必须使用级别集或相位字段方法。

射流不稳定性模型由一个圆柱形状的流体结构域组成，半径为20微米，高度为60微米。该结构域含有一个半径为5微米的水缸。我们需要定义墨水特性，例如密度和动态粘度，以及表面张力系数。

我们使用层流两相，移动网格求解模型的接口，该模型在移动网格几何形状上绘制。对于此模拟，界面没有厚度，并由边界表示。这对实用网状密度更好。界面计算Navier-Stokes方程和边界条件并将其转换为固定网格。

喷射不稳定性模型中的喷墨打印机的圆柱体。

这层流两相，移动网格接口可以轻松输入其他物理，并且比级别集和相位场方法更快，更准确。但是，移动网格方法无法处理拓扑变化。这意味着它只能在分解之前用于计算。这层流两相，水平集界面计算Navier-Stokes方程，周期性边界条件和点设置所描述的速度场和压力。

下面的结果是使用级别集方法建模的，并在六个时间段内显示了射流分为液滴。首先，液体形成一个完美的色谱柱，但是表面张力的变化会扰乱射流，并导致由于表面曲率而导致的力，最终将射流分解为液滴。

由于空间上的表面张力变化（在六个不同的时间显示），该模型的液体区域会分解。

下一步

• 自己尝试：喷气不稳定 - 移动网格和水平设置模型
• 阅读两个博客文章：
  • 我应该使用哪种多相流接口？
  • 用COMSOL多物理学对Marangoni对流进行建模
• 观看视频：葡萄酒的眼泪（和朗姆酒）