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每一口发出嗞啦、砰砰、嘶嘶、噼里啪啦等不同声息的油锅,内部的气泡都不错被分红三类,每一类对应一种声息。最近,几位有趣于美食物理学的科学家们使用高速录像机和麦克风纪录下了

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每一口发出嗞啦、砰砰、嘶嘶、噼里啪啦等不同声息的油锅,内部的气泡都不错被分红三类,每一类对应一种声息。最近,几位有趣于美食物理学的科学家们使用高速录像机和麦克风纪录下了炸东西时产生的气泡,用数据代替教训,奋力做一个能听懂油锅、躲开飞溅热油的好庖丁。

图片源头:Pixabay

撰文 程雨祺

裁剪 魏潇

食物下锅的蓦的,升腾的热气伴跟着噼里啪啦的响声,不知安危了若干困窘的灵魂。油炸食物是跳跃文化和时间的美食,快餐里的炸薯条、日料里的天妇罗、路边早摊上的油条……食物在油锅里发出的声息不仅能勾起门客的馋虫,也激发了物理学家的兴味。

为了研究炸东西的声息是如何变成的,美国犹他州立大学(Utah State University)的 Akihito Kiyama 和来自加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)、沙特阿卜杜拉国王科技大学(King Abdullah University of Science and Technology)的共事们用录像机和麦克风纪录下了大都个“油炸蓦的”:他们用流膂力学要领分析了水点参加热油时产生的气泡和声息,还解释了飞溅热油的变成经由。

水点参加热油后变成气泡和飞溅的一种模式。源头:论文

在实验室里炸一张纸和一滴水

关于这种爱惜泡,前人的参谋主要采集在一个范围:用液滴撞击加热的液体,参谋自后的能源学经由。科学家们仍是把水(致使甲醇)滴到不同厚度的热花生油、大豆油、芥子油名义上,参谋水点的挥发和飞溅(看起来每一种油都匡助了一篇论文发表)。自带气泡的碳酸饮料诚然也莫得被放过——有人把它倒入啤酒参谋气泡分散。

在这项新参谋里,为了镌汰难度,参谋者规划先师法“二维的食物”做一个预参谋——就像炸虾片那样,炸一张蘸了水的纸。预参谋匡助他们把气泡分红了三类:油面会爆炸飞溅的“爆炸腔”(Explosion cavity),向下喷射变成的“拉长腔”(Elongated cavity),对液面周期性扰动、也会导致微型飞溅的“漂流腔”(Oscillating cavity)。

然后,他们获胜把二维降到了零维:在实验室里,用炸食物的油温来炸一滴水。这个操作并不新奇,但其他参谋都是让液滴摆脱下跌,撞击油的名义。而他们不一样:参谋者悉心联想了实验安装,参考放手实验所用的“悬滴法”,把一滴体积不到 4 μL 的蒸馏水沉到悬线底部,然后使用手动平台将其浸入油中,以此来适度液滴的浸入深度。后续的实验标明,液滴运转深度是很繁难的参量之一,因此对深度的适度变得终点繁难。

实验安装默示图。源头:论文

油用的是菜籽油,温度适度在 170-210 ℃ 之间,苟简是炸食物的温度,也不至于使菜籽油热得冒烟。容器外摈弃了高速录像机,不错拍下水点变化的明晰图像。由于圆形玻璃容器会在水肤浅进取诬蔑图像,总计的距离都是竖直测量的。

三类气泡

和预实验调换,“炸水点”产生的气泡也都被分红了三类。

室温水点参加热油后受热汽化,变成油内气泡空腔。要是这个气泡运转位置离液面很近,足以撞破液面,就会使油花飞溅,属于爆炸腔;要是气泡运转位置稍稍远一些,撞不破液面,互相作用变成液面上温雅泡内的高下两股射流,属于拉长腔;要是气泡离得更远,在漂流经由中永恒保持球形,腔体的快速延迟产生密度波扰动油面,则属于漂流腔。

a 爆炸腔、b 拉长腔、c 漂流腔。图片源头:论文

热油飞溅背后的物理学

每一类气泡都被高速录像机拍下汽化延迟的经由,并纪录下它在时间和频率上的声息特征。爆炸腔和拉长腔的基频是调换的,这意味着声息主要源于气泡的前期延迟经由;漂流腔的基频稍小一些,其声息源于气泡体积的周期性漂流。

关于爆炸腔,气泡快速延迟撞破液面,热油变成了飞溅液滴(气溶胶)。咱们不错知悉到油面上伸开一簇水花,而油面下的气泡保持半球形,直到底部入手进取出动。气泡的深度和时间存在幂律联系,当深度达到最大值时,气泡入手变平,油面上方的喷射也会变成一个穹顶。

爆炸腔气泡。源头:论文

爆炸腔气泡声息书号的变化趋势和形式变化同步。在气泡变成阶段,声息书号很弱;当气泡撞破液面变成飞溅时,声息赶紧达到峰值,这阐明爆炸是声息的主要源头;之后声息随时间衰减,在 5 ms 后果然为零,峰值频率约为 1.4 kHz。

关于拉长腔,由于气泡无法撞破液面,气泡向液面围聚时,互相作用令油面进取变成油柱,气泡顶部向下变成一个内凹型空腔。这类气泡的声息峰值信号在 1 ms 时被捕捉到,峰值频率也在 1.4 kHz 控制,和爆炸腔的峰值频率是调换的。不外,拉长腔声息的主要源头是 1 ms 内气泡的快速延迟,而并不是气泡在之后的拉长。在 5 ms 之后,声息书号仍有较小的波动,可能是因为气泡的连续存在。

拉长腔气泡。源头:论文

道理的是,参谋者们在水点参加热油 13 ms 后,知悉到了“子液滴”的出现。相通的平稳在其他科学家用液滴撞击油面的实验中也能知悉到。在这个例子里,拉长腔留住了一颗子液滴,这颗子液滴随后下沉,然后在一个更深的位置挥发并变成漂流腔。这大概能够解释一种践诺场景:炸东西时,油锅里产生了不同类型气泡,导致了热油飞溅。

拉长腔+漂流腔气泡,产生油滴飞溅。源头:论文

漂流腔气泡在水点达到液面下 11 mm 的深度时产生。在前 3 ms,水点汽化变成气泡并快速延迟,之后 10 ms 气泡体积一直周期性地漂流,使得液面上蓝本存在的一些爱惜泡变成射流。这些液面上的爱惜泡可能被悬线浸入时带入,也可能是上一次实验的残留。在 13 ms 时,气泡达到最大体积并剖释成好多爱惜泡,举座漂流松开。

漂流腔气泡的声息书号也不错被分红这三个阶段,其中周期漂流的第二阶段是声息的主要源头。声息峰值频率在 0.8 kHz 控制,和该气泡的漂流频率相一致。二次谐波频率 1.6 kHz 则变成了一个次级峰。参谋者觉得,当油面上存在一些爱惜泡时,即使莫得发生漂流腔气泡的离散,也可能导致热油飞溅。气泡和油面的互相作用是一个终点复杂的平稳,有待咱们长远参谋。

漂流腔气泡。源头:论文

总之,这项参谋解说了不同的气泡分类有不同的声学特征(幅度、基频和连续时间),这意味着这些油锅里的气泡在声息上是不错被分别的。可能不久以后,咱们就能见到科学家们设立出声学传感器,通过检测油锅发出的高频杂音,匡助判定是否有溅射小油滴的产生。参谋者也但愿,对三种景况进行分类可能有助于清楚炸东西时产生的更大液滴,使得厨房生手毋庸再窄小四处飞溅的油沫,让烹调变得更安全,并着重失火不测的发生。

论文信息

【标题】Morphology of bubble dynamics and sound in heated oil

【作家】Akihito Kiyama, Rafsan Rabbi, Zhao Pan, Som Dutta, John S Allen, Tadd T Truscott

【日历】07 June 2022

【期刊】Physics of Fluids

【DOI】https://doi.org/10.1063/5.0088065

【选录】The interaction between a heated oil bath and water droplets commonly occurs in the kitchen and has important implications for cooking, fire safety, and indoor air pollution. The interplay between the bubble dynamics in a heated oil bath, the generated sound, and the ligament-like expulsion to the surrounding air is examined. We focus on an explosion of a millimeter-sized water droplet in heated oil as a simplified case. We discuss three typical bubble types that can be classified as a function of the stand-off parameter h/R, where h is the distance between the oil surface and bubble and R is the maximum bubble radius. Our data describe the morphology of bubble dynamics inside a heated oil bath and represent those found in the cooking pan. This paper also highlights potential applications of our findings.

【联结】https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0088065

本文经授权转载自微信公众号:科研圈 作家:科研圈

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