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液滴热毛细迁移研究的重要进展

  

  液滴在流体介质中的输运过程是很多自然现象和工程应用中的关键基础问题。在微重力环境下, 浸含在流体介质中的液滴的浮力效应基本消失,外加不均匀温度场将改变界面的表面张力分布导致液滴出现移动, 称为热毛细迁移。长期以来, 基于对液滴热毛细迁移速度与大MarangoniMa)数关系的理论分析、数值计算与实验观测结果存在着定性矛盾,是近二十年来未解决的遗留问题,也是液滴热毛细迁移能够得到实际应用的瓶颈制约。 

  近期, 力学所非线性力学国家重点实验室武作兵研究员针对此问题从流动区域的能量守恒条件出发,发现大Ma数下液滴定态热毛细迁移存在非守恒的积分界面热流,提出并论证了准定态假设失效是其主要根源。揭示出其物理机制在于热对流占优限制了液滴内部获得足够热能,而始终保持“冷眼”状态,使得液滴处于非定态迁移过程。为了能在有限的试验段实现大Ma数液滴定态热毛细迁移实验,设计了一种主动控制措施:外场附加激光辐射给液滴内部提供足够的热能,使得液滴热毛细迁移能够在较短的时间内达到定态迁移过程。采用匹配渐进展开的方法,理论预测了液滴定态热毛细迁移速度与Ma的关系。所设计的液滴主动控制措施为解决上述遗留问题提供了新的诠释途径,也为液滴热毛细迁移从基础研究走向实际应用提供了有价值的参考。 

  相关系列成果论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)得到了国家自然科学基金面上项目和中国科学院先导项目的资助。