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液滴熱毛細遷移研究的重要進展

作者:武作兵 2018-12-07 09:10 來源:
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  液滴在流體介質中的輸運過程是很多自然現象和工程應用中的關鍵基礎問題。在微重力環境下, 浸含在流體介質中的液滴的浮力效應基本消失,外加不均勻溫度場將改變界面的表面張力分布導致液滴出現移動, 稱爲熱毛細遷移。長期以來, 基于對液滴熱毛細遷移速度與大MarangoniMa)數關系的理論分析、數值計算與實驗觀測結果存在著定性矛盾,是近二十年來未解決的遺留問題,也是液滴熱毛細遷移能夠得到實際應用的瓶頸制約。 

  近期, 力学所非线性力学国家重点实验室武作兵研究員針對此問題從流動區域的能量守恒條件出發,發現大Ma數下液滴定態熱毛細遷移存在非守恒的積分界面熱流,提出並論證了准定態假設失效是其主要根源。揭示出其物理機制在于熱對流占優限制了液滴內部獲得足夠熱能,而始終保持“冷眼”狀態,使得液滴處于非定態遷移過程。爲了能在有限的試驗段實現大Ma數液滴定態熱毛細遷移實驗,設計了一種主動控制措施:外場附加激光輻射給液滴內部提供足夠的熱能,使得液滴熱毛細遷移能夠在較短的時間內達到定態遷移過程。采用匹配漸進展開的方法,理論預測了液滴定態熱毛細遷移速度與Ma的關系。所設計的液滴主動控制措施爲解決上述遺留問題提供了新的诠釋途徑,也爲液滴熱毛細遷移從基礎研究走向實際應用提供了有價值的參考。 

 

  相关系列成果論文发表在物理和力学重要国际期刊上(Z.-B. WU Steady thermocapillary migration of a droplet in a uniform temperature gradient combined with a radiation energy source at large Marangoni numbers, Physical Review E, (2018) Vol. 98, 013110. Z.-B. WU Terminal states of thermocapillary migration of a planar droplet at moderate and large Marangoni numbers, International Journal of Heat and Mass Transfer, (2017) Vol. 105, pp. 704-711. Z.-B. WU Terminal thermocapillary migration of a droplet at small Reynolds numbers and large Marangoni numbers, Acta Mechanica, (2017) Vol. 228, pp. 2347-2361)得到了國家自然科學基金面上項目和中國科學院先导项目的资助。   

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