流体流量，传热和质量传输传热：能量保护Marangoni效应

了解Marangoni效应

当两个阶段之间的界面处的表面张力梯度梯度（在大多数情况下）时，会发生Marangoni效应。表面张力通常由于溶质浓度，表面活性剂浓度和沿界面的温度变化而变化。

在某些共晶或多组分液体中，可以通过改变表面溶质的浓度或添加表面活性剂的浓度来改变表面张力的梯度梯度的方向。根据流体，可以产生相当强的对流运动。这会导致表面剪切应力，类似于风能产生的剪切应力。

在浓度驱动表面张力变化的情况下，Marangoni效应称为溶剂毛细血管效应。在表面张力随温度变化的情况下，marangoni效应称为热毛细血管效应。两种效果都可以同时发生。

Marangoni效应与毛细管效应

重要的是，Marangoni效应不会与纯净的效果混淆毛细管效应。毛细管在界面或水滴的形状处负责弯月面。一小滴液体的典型尺寸来自表面张力力之间的平衡和静水压力。尺寸称为毛细管长度，可以从：

这里，是N/M的表面张力是在kg/m中形成液滴的流体密度³， 和是m中的重力吗²/s。

在水里，= 20°C下的72.8e-3 N/m。因此，毛细管长度在水的2至3毫米范围内。这提供了一个很好的估计值，该水滴的直径仅在桌子上放在桌子上。高于此维度，重力变得越来越多。在此维度下方，毛细管通常比重力的影响大得多。对于等温系统，所有这些都是正确的。

但是，当存在半月板并且溶质从液体表面蒸发（例如，水溶液中的乙醇）时，浓度可能会沿液体表面出现。这些梯度的原因是，与半月板相比，蒸发溶质在平坦的表面更快地更换了，因为在平坦界面处从大块到表面的溶质传输速度更快。在某种程度上，这将毛细管效应和马龙尼尼效应联系起来。

Marangoni效应可以在两个尺寸的范围内发生 - 微流体和较大的仪表。重要的是表面张力的变化 - 例如，相对于热诱导的Marangoni效应的温度。热诱导的Marangoni效应的比例与界面切向方向的温度梯度有关。

一个变体然后可能来自热或成分（浓度）效应：

和和表示温度和浓度。

是N/M/K中表面张力的热依赖性。使用绝对值，以使非二维Marangoni数保持正值。

类似的定义适用于表面张力的组成依赖性。

热诱导的marangoni效应将剪切应力的正常成分与温度的切向导数相关联。对于不可压缩的液体而没有层流中没有压力的液体，它的写入为：

这是一种边界条件，该条件在流体的自由表面（通常是气液界面），该边界是用该模型的Navier-Stokes方程。

这Marangoni号码是给出热毛细血管效应与粘性力之间比率的非二维数。

是系统中系统的长度比例是系统中整个系统的最大温度差，是kg/s/m的动态粘度，而是是M中的热扩散率²/s。

您可能更喜欢重新排列以下内容：

在哪里是M中的运动粘度²/s。

以这种格式写的是，与瑞利数字有一个类比，这与由于阿基米德力而引起的偶联热传递相关。

典型的速度是热毛细管速度，热扩散速度，以及分子扩散速度。

基于此，很容易得出等效的雷诺数为：

是prandtl数字，这是感兴趣的流体的特征。

与雷诺数的情况一样，流动表征与marangoni数的典型数量级在很大程度上取决于几何形状。但是，Marangoni数字高于1·10⁵即使不动荡，通常会出现不稳定的流动。

Marangoni效应的影响

首先在现象中指出葡萄酒的眼泪，在各种表面化学和流体流动过程中观察到了Marangoni效应。

焊接

焊接是必须考虑Marangoni效应的制造过程。当焊接过程中的碱金属达到其熔点时，形成了焊接池。这些池中的Marangoni力可以影响流量和温度分布并修改熔融池的延伸。这可能会导致材料内部的应力以及变形。

晶体生长

半导体通常由晶格结构组成。开发纯晶体（例如硅）的过程包括纯化金属，该金属始于熔化固体。在纯化过程中，必须允许在液相中进行对流，以使通常比金属轻的氧化物等杂质有时间分离。另外，必须调节传热，以便控制凝固锋的形状。

Marangoni效应的力会影响晶体生长，从而导致结构内的断层。这些断层可以抑制材料的半导体功能，并导致设备内部的缺陷。

电子束熔化

使用电子束作为电源，可以将金属粉末融化以制造机械零件。这种添加剂制造方法在医疗植入物以及航空航天行业的开发方面越来越受欢迎。在熔化过程中，大型热梯度可以在熔体内产生Marangoni力。这种力有可能对材料的质量产生负面影响。

发布：2015年7月2日
最后修改：2017年2月21日