ライデンフロストフィルムの崩壊を促進する熱湿潤不安定性

ライデンフロストポイント（LFP）として知られる臨界温度の上で、加熱された表面は、それ自体の蒸気のフィルムの上に液滴を吊るすことができます。絶縁蒸気フィルムは、電子デバイスの冶金消光と熱制御に非常に有害な場合がありますが、抗力を減らして出力を生成するために活用される可能性もあります。LFPの操作は、主に実験を通じて発生しており、レイリーテイラーの不安定性、核生成速度、および超熱網の制限を説明するさまざまな半経験的モデルを生み出しています。ただし、LFPが異なる流体で劇的に変化し、システム圧力、表面粗さ、液体の濡れ性の影響を受けることを考えると、真に包括的なモデルの策定は困難でした。ここでは、最終的にライデンフロストポイントで崩壊条件を設定する小さな長さのスケールの蒸気フィルムの不安定性を調査します。線形安定性分析から、主な膜安定化メカニズムは、蒸気塊の液体面表面張力駆動型輸送と液体蒸気界面での蒸発であることが示されています。一方、バルク液体と蒸気相を横切る固体基質との間のファンデルワールスの相互作用は、フィルムの崩壊を駆動します。蒸気フィルムダイナミクスに関するこの物理的な洞察により、流体のライデン凍結点の数学的な表現、ab initio、数学的な表現を導き出すことができます。この発現は、さまざまな表面の濡れ性と周囲圧力の下で、さまざまな液体のLFPに関する実験データをキャプチャします。表面（小さな固有の接触角）を濡らす液体の場合、LFPを管理する湿潤不安定性をカプセル化する単一の無次元数に式を単純化できます。

Above a critical temperature known as the Leidenfrost point (LFP), a heated surface can suspend a liquid droplet above a film of its own vapor. The insulating vapor film can be highly detrimental in metallurgical quenching and thermal control of electronic devices, but may also be harnessed to reduce drag and generate power. Manipulation of the LFP has occurred mostly through experiment, giving rise to a variety of semiempirical models that account for the Rayleigh-Taylor instability, nucleation rates, and superheat limits. However, formulating a truly comprehensive model has been difficult given that the LFP varies dramatically for different fluids and is affected by system pressure, surface roughness, and liquid wettability. Here, we investigate the vapor film instability for small length scales that ultimately sets the collapse condition at the Leidenfrost point. From a linear stability analysis, it is shown that the main film-stabilizing mechanisms are the liquid-vapor surface tension-driven transport of vapor mass and the evaporation at the liquid-vapor interface. Meanwhile, van der Waals interaction between the bulk liquid and the solid substrate across the vapor phase drives film collapse. This physical insight into vapor film dynamics allows us to derive an ab initio, mathematical expression for the Leidenfrost point of a fluid. The expression captures the experimental data on the LFP for different fluids under various surface wettabilities and ambient pressures. For fluids that wet the surface (small intrinsic contact angle), the expression can be simplified to a single, dimensionless number that encapsulates the wetting instability governing the LFP.