Investigation of the droplet inner flow induced by adjacent droplet evaporation

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本研究は，近接液滴の蒸発時に見られる液滴内部対流を詳細に把握することを目標としている．令和4年度は，接触角90°の2つの液滴中心間の間隔を変化させた場合における水蒸気濃度や温度分布の数値解析を行うとともに，超はっ水基板上に置かれた水滴に有機溶媒の液滴を近接させた場合における水滴の挙動と水滴内部の対流を評価した．有限体積法を用いて液滴間隔を変化させた際の液滴周りの状態を数値的に求めた．液滴間隔が狭くなることで近接側における蒸発が抑制され，蒸発流束が大きく低下することがわかった．加えて，蒸発が抑制されることで潜熱の輸送量が低下し，液滴の中で最も温度が低い位置が遠方側に移動することが示された．水と混和する液体および水への溶解量が20g/L以下の液体を有機溶媒として用い，超はっ水面上におかれた水滴に隣接するように滴下した．有機溶媒の水への溶解度に関わらず，水滴が振動する様子が確認されたため，この振動が発生する条件を実験的に検討した．その結果，水と比較して蒸気圧の高いアセトンやジクロロメタンでは振動が確認されたものの，蒸気圧の低い液体では確認されなかった．また，液滴の中心軸が左右に揺れる振動が見られることがわかった．この振動の原因として，マランゴニ効果による力が考えられる．振動が確認された有機溶媒の表面張力はいずれも30mN/m以下であり，水の72mN/mと比較して小さい．そのため，蒸発した有機溶媒の分子が水滴内に溶解または水滴表面に付着することで局所的な表面張力の低下を引き起こすことで振動が駆動されたものと考えられる．このことは有機溶媒と水滴の距離を変化させた実験からも推察することができた．有機溶媒と水滴の間隔を3mm程度としたときの水滴内部の対流は10mm/s程度と得られ，液滴蒸発による自然対流と比較して1000倍程度早くなることがわかったが，一様な流れ場は観察されなかった．