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Direct numerical simulations of Leidenfrost drop impacting onto superheated liquid pool: an early stage study

过热 雷登弗罗斯特效应 机械 下降(电信) 材料科学 阶段(地层学) 热力学 物理 传热 核沸腾 计算机科学 地质学 传热系数 电信 古生物学
作者
Shuo Zhao,Jie Zhang,Chao Sun,Ming‐Jiu Ni
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:1007
标识
DOI:10.1017/jfm.2025.19
摘要

When a droplet impacts onto a superheated liquid pool, vapour generation and drainage within the gas cushion play a crucial role in postponing or even preventing contact between the droplet and the pool surface. Through direct numerical simulations, we closely examine the transient dynamics of vapour flow confined within the thin film, with a particular focus on the minimum thickness of this film under a range of impact conditions. Our numerical findings manifest the significant influence of evaporation on the vertical motion of the liquid–vapour interface, revealing how the minimum film thickness evolves in response to variations in impact velocity and degree of superheat. In our numerical simulations, we have identified two distinct evolution laws for the minimum film thickness, corresponding to moderate and high superheat regimes, respectively. These regimes are differentiated by the dominance of evaporation effects within the vapour film during the early falling stage. Subsequently, we establish scaling relations to characterize these regimes by carefully balancing inertial, pressure and evaporation effects within the thin vapour film. Furthermore, we observe that the vapour pressure eventually reaches equilibrium with the rapid increase in capillary pressure at the spreading front, thereby controlling the minimum thickness of the vapour layer in both moderate and high superheat regimes. We derive self-similar solutions based on this equilibrium, and the predicted minimum film thickness aligns remarkably well with our numerical results. This provides compelling evidence that evaporation alone is insufficient to prevent droplet–pool coalescence.

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