近日，航空動力研究所夏溪副教授與香港城市大學(xué)張鵬教授合作，提出無粘液滴融合新理論，相關(guān)成果以“Scaling law in the inviscid coalescence of unequal-size droplets”為題，發(fā)表在流體力學(xué)期刊Journal of Fluid Mechanics上。夏溪副教授和池奕承博士為論文第一作者，張鵬教授為通訊作者。
液滴融合是自然界廣泛存在的物理現(xiàn)象，在工程技術(shù)中也具有重要的應(yīng)用價(jià)值，涉及傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)燃料霧化和噴墨打印，以及新興的金屬增材制造和微流動控制等領(lǐng)域。液滴融合過程往往以兩個液滴界面的接觸為開端，在極短的時間內(nèi)形成一個連接兩個界面的“液橋”，此后液橋的環(huán)形鋒面會在毛細(xì)力作用下迅速向四周擴(kuò)展。以往研究發(fā)現(xiàn)，等尺寸液滴融合時，液橋在無粘階段的演化過程存在一個經(jīng)典的1/2次冪率關(guān)系：液橋半徑隨時間的平方根呈線性增長。然而實(shí)際的液滴融合大多發(fā)生于不同尺寸的液滴之間，其液橋的演化規(guī)律是否滿足經(jīng)典標(biāo)度率仍需進(jìn)一步研究。
為了探索兩個不同尺寸液滴之間的融合，團(tuán)隊(duì)利用高速背光成像法對一系列不同尺寸比的無粘液滴融合過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)液橋的擴(kuò)展速率在小尺寸比下依然符合1/2次冪標(biāo)度率，但在大尺寸比下會發(fā)生明顯偏離。為理解這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)提出了針對非對稱液橋鋒面的能量平衡分析方法，首次推導(dǎo)了非對稱液橋演化的理論模型，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)中不同尺寸液滴融合過程的歸一化預(yù)測。該模型雖然在數(shù)學(xué)形式上具有無標(biāo)度的特征，但其在較寬的參數(shù)空間內(nèi)依然能夠漸進(jìn)逼近經(jīng)典標(biāo)度率，有效解釋了實(shí)驗(yàn)只能在大尺寸比液滴融合的后期才能觀察到標(biāo)度率偏離的現(xiàn)象。此項(xiàng)工作為不同尺寸液滴的融合研究奠定了理論基礎(chǔ)，對于兩相流中非對稱界面的動力學(xué)建模具有參考意義。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1017/jfm.2025.353
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