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西安交大科研人员揭示液滴融合过程中的类生命生长行为

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两种流体的混合现象广泛存在于人们的日常生活、工农业生产、动力装备、环境治理、医药化工以及生物生命等等领域,是一种共性的基础物理现象,掌握其混合过程中的能量传递与演化特征及其机制具有极其重要的理论价值与现实意义。

西安交大能动学院魏衍举副教授团队对重液滴撞击液面产生的涡环在轻介质流体中的下沉及不稳定性演变过程进行了深入研究,取得了重要研究成果。该成果11月5日以《重撞击液滴:由涡环到分岔之花的演化》(Evolution of the heavy impacting droplet: via a vortex ring to a bifurcation flower)为题在流体领域顶级期刊《流体物理学》(Physics of Fluids)上在线发表,并被选为该刊特色论文(Featured)在期刊主页展示。美国物理学联合会《科学之光》栏目(AIP Scilight)特此专访了本文通讯作者魏衍举副教授,并以《甘油溶液液滴撞击融入水池后产生分岔花朵型结构》(Impact of glycerol droplets form bifurcating flower structure when impacting with water)为题进行了专题报道。

该论文利用高速相机研究了一系列重液滴撞击液池后从形成涡环、涡环失稳解体下沉、到分叉生长并最终成长为一朵分形花朵的奇特行为,通过系统分析,获得了上述各阶段的无量纲控制方程,揭示了其发生与演化的底层物理机制。研究发现涡环经历了以失稳解体为转折点的“稳态下沉”和“分岔生长”等两阶段演化,期间粘性阻力和重力通过重力加速度和瑞利-泰勒不稳定性(R-T instability)交替控制液滴裂变与生长行为,最终液滴通过涡环成长为一朵迷人的分形花朵。

液滴的这种生长行为与生命的萌发与成长具有很强的相似性。纵观由单液滴到涡环,再到分级失稳分叉的整个过程,均类似于一颗种子从发芽到生长出完整的花茎、花瓣和花蕊。从某种意义上,水滴就是分叉花的种子,只要它携带着能量从轻流体穿透界面进入重流体,它就会随着能量的耗散而生长,而能量耗散的路径就形成了现实意义的生命。这种独特的能量耗散模式可以激发人们对生命本质的深刻思考。另外,该现象对流体中最复杂的湍流现象的形成机理也具有一定的启发意义。

该论文第一作者为博士生张亚杰,第二作者为硕士生穆志强,通讯作者为魏衍举副教授,第四作者为留学生Huzaifa Jamil,第五作者为航天学院杨亚晶副教授,西安交大为独立完成单位。魏衍举副教授课题组一直从事清洁燃料液滴燃烧相关的基础研究,包括液滴与液膜的界面行为,液滴液池的融合行为,声场中液滴的破碎、蒸发及燃烧行为等等。研究成果发表在《应用物理通讯》(Applied Physics Letters)、《流体力学》(Journal of Fluid Mechanics)、《流体物理学》(Physics of Fluids)、《应用能源》(Applied Energy)、《燃烧与火焰》(Combustion and Flame)等国际顶级期刊上,共发表论文50余篇。

此研究获得国家自然科学基金重大研究计划项目、面上项目和陕西省重点研发计划项目联合资助。

论文链接:https://doi.org/10.1063/5.0064072

AIP Scilight专访链接:https://doi.org/10.1063/10.0007128

2021-11-10
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