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学术动态

我实验室副主任白博峰教授团队功能液滴流体力学理论研究进展被J. Fluid Mech.接收

2018年01月22日 10:01  点击:[]

        液滴流动是自然界和工程应用中普遍存在的多相流动形式。液滴界面在流场应力作用下的可变形性使得对液滴变形、运动、破碎、融合等动力学行为的科学描述十分困难,因此液滴流动力学几十年来一直是流体力学学科以及多相流热物理学科的基础研究方向。液滴由某一液体分散于另一种不相混溶的流体中形成,通常其界面由两侧流体分子共同组成。然而,自然界中广泛存在由弹性薄膜包裹粘性流体而成的液滴。该类液滴表面包覆的薄膜通常具有选择性透过物质的特性,因此可实现包裹、输运及选择性释放特定分子、药剂等特定功能。最常见的功能液滴即是人体血液循环系统中的血细胞,由细胞膜包裹细胞质而成,可实现氧气、营养物质或者二氧化碳、废物等物质的包裹及输运。近年来,研究人员将功能液滴物质输运的理念应用于工程,形成了药物输送、自修复材料等前沿技术。

       我实验室白博峰教授团队于2009年开始致力于弹性界面液滴动力学的基础理论研究。近两年,团队创新地提出将功能液滴物质输运理念引入石油工程原油提高采收率技术,通过功能液滴包裹、输运并选择性释放纳米颗粒、表面活性剂、离子等化学药剂,可大大降低化学药剂在油藏多孔介质中的损失,有望形成新的提高原油采收率技术。团队重点从功能液滴物质释放动力学、化学药剂调控普通油水液滴动力学两方面开展基础理论及关键技术研究。最近,团队新讲师骆政园博士在功能液滴动力学基础理论研究方面的最新进展被流体力学领域著名期刊Journal of Fluid Mechanics接收,论文题目为“Dynamics of capsules enclosing viscoelastic fluid in simple shear flow”。

       流场应力引发功能液滴大变形,改变弹性薄膜内应力分布,从而触发内部物质释放,因此深入认识功能液滴在流场中的动力学行为是发展功能液滴物质输运与释放技术的关键理论基础。功能液滴包裹纳米颗粒、表面活性剂等物质可导致其内部流体呈现粘弹性应力等非牛顿流体的性质。本文在团队前期研究的基础上,进一步研究揭示了内部流体粘弹性对功能液滴变形、运动等动力学行为的影响规律,并深入阐释了其流体力学机制。

 

图1

 

       基于前期功能液滴动力学模拟方法(Front-Tracking Finite-Difference method),结合界面有限元方法模拟界面弹性,引入内部流体粘弹性应力的Oldroyd-B本构方程,发展了考虑液滴界面剪切弹性、抗弯特性等特殊力学性质以及液滴两侧流体非牛顿流体性质的三维直接数值模拟方法。通过De数(粘弹性流体松弛时间与剪切流场的特征时间比值)大范围变化的系统模拟,发现了内部流体粘弹性在低De数时(小于O(1))抑制液滴变形、而在高De数条件下(O(1−100))促进液滴变形的新规律。通过分析弹性膜所受内部流体应力揭示了其流体力学机制:De的变化显著改变内部流体粘弹性应力在液滴界面上的分布与大小。低De数时,随De数增大粘弹性应力大小没有显著变化,而其在液滴界面上的分布由于内部粘弹性流体松弛发生显著变化,因此液滴整体变形受到抑制;高De数时,内部流体粘弹性应力难以跟随流场的发展,导致粘弹性应力的大小显著低于粘性应力,因此随De数增大液滴变形反而增大。我们发现的机制与传统的表面张力液滴研究发现的机制恰恰相反,传统研究发现粘弹性应力引发的内部流场变化是改变液滴变形的原因,而我们发现该流场效应在弹性界面液滴中不起作用。除此以外,发现了内部流体粘弹性可改变非球形弹性界面动力学状态的新规律,即增大De数可促使液滴运动力学状态由翻滚式转变为摇摆式,建立了基于De和液滴内外流体黏度比粘度比的液滴动力学状态分布相图,获得了摇摆-翻滚转变的临界粘度比随De显著增大的新规律。

 

 

图2

 

       白博峰教授团队在功能液滴流体力学基础理论研究方向已取得系列成果,已在J. Fluid Mech.(2)、Phys. Fluids(1)、Soft Matter(3)、Chem. Eng. Sci.(7)等期刊发表SCI论文20余篇,多次受邀在国际会议作特邀报告,组织并举办1次国际会议。以上工作得到了国家自然科学基金委杰青基金项目、青年基金项目、科技部重点研发计划国际合作专项、教育部博士点基金以及中央高校基本科研业务费资金等项目的支持。


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