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研究人员解开了气泡如何在液体中形成的神秘面纱

  • 2019-06-25 16:00:43

液体中气泡的形成与其逆过程非常相似,即从滴水龙头形成液滴。但所涉及的物理实际上是完全不同的,虽然这些水滴的大小和间距是均匀的,但气泡形成通常是一个更随机的过程。

现在,麻betway理工学院和普林斯顿大学的研究人员进行的一项研究表明,在某些条件下,气泡也可以被诱导形成与液滴完美匹配的球体。

研究人员说,这些新发现可能对生物医学研綽etway⒘魈遄爸玫姆⒄挂约傲私馓烊黄氲叵卵也阄⑿】紫犊占渲械氖拖嗷プ饔玫姆绞讲跋臁Q芯拷峁⒈碓赑NAS期刊上,麻betway理工学院毕业生Amir Pahlavan博士18,普林斯顿大学霍华德斯通教授,麻betway理工学院工程学院教授创新教授Gareth McKinley和麻betway理工学院教授Ruben Juanes。

Juanes解释说,产生均匀尺寸和间隔气泡的关键在于将它们限制在狭窄的空间内。当空气或气体释放到大容器液体中时,气泡的散布会被散射。然而,当释放到限制在相对窄的管中的液体中时,气体将产生完全匹配尺寸的气泡流,并以均匀的间隔形成。这种betway且可预测的行为,与特定的起始条件无关,被称为普遍性。

形成液滴或气泡的过程非常相似,从流动材料(无论是空气还是水)的伸长开始,最终导致将液滴或气泡连接到流动材料的“颈部”变薄和夹断。然后,夹断使得液滴或气泡塌缩成球形。图片吹肥皂泡:当你吹过戒指时,一管肥皂膜逐渐向外伸展,然后捏开,形成一个漂浮的圆形气泡。

“从水龙头滴下液滴的过程被认为是普遍的,”Juanes说,他在土木与环境工程和地球,大气和行星科学部门betway任命。如果滴液具有不同的粘度或表面张力,或者如果龙头的开口尺寸不同,“无关紧要。您可以找到允许您确定用于描述该过程的主曲线或主行为的关系,“他说。

但是,从某种意义上说,对于滴水龙头的相反过程 - 通过开口将空气注入大型液体罐(如按摩浴缸) - 这个过程并不普遍。“因此,如果你的孔口有不规则性,或者孔口大或小,或者你注入了一些脉动,那么所有这些都会导致不同的气泡夹断,”Juanes说。

新实验涉及气体渗透到粘性液体如油上。在无限制的空间中,气泡的大小是不可预测的,但是当它们在管中形成液体时会发生变化。在某一点上,管的尺寸和形状无关紧要,气体的孔的特性也不会产生。相反,气泡,如来自水龙头的液滴,尺寸均匀且间隔均匀。

Pahlavan说:“我们的工作实际上是两个令人惊讶的观察的故事; betway个令人惊讶的观察发生在大约15年前,当时另一个研究大型液体罐中气泡形成的小组观察到夹断过程是非betway的“并且取决于实验装置的细节。“第二个惊喜现在出现在我们的工作中,这表明将气泡限制在毛细管内使得夹断对实验的细节不敏感,因此是普遍的。”

他说,这种观察结果“令人惊讶”,因为从直觉上看,似乎能够在液体中自由移动的气泡受初始条件的影响要小于那些被包围的气泡。但事实恰恰相反。事实证明,管和成形气泡之间的相互作用,作为空气和液体之间沿管内部前进的接触线起着重要作用。他说:“这有效地消除了系统的记忆,初始条件的细节,从而恢复了泡沫夹断的普遍性。”

虽然这样的研究可能看起来很深奥,但其研究结果在各种实际环境中具有潜在的应用,Pahlavan说。“在微流体中非常需要控制液滴和气泡的产生,并考虑到许多应用。一些例子是喷墨打印,医学成像和制造颗粒材料。“

新的理解对于某些自然过程也很重要。“在地球物理应用中,我们经常看到流体在非常狭窄和狭窄的空间内流动,”他说。在分析这些过程时,通常忽略流体和周围颗粒之间的这些相互作用。但是这种地质系统的行为往往是由粒度过程决定的,这意味着在这项工作中进行的那种微尺度分析有助于理解这种非常大规模的情况。

Juanes说,根据具体情况,这种地质构造中的气泡形成可能是一种祝福或诅咒,但无论哪种方式,理解这一点都很重要。例如,对于碳封存,betway将从发电厂排放中分离出的二氧化碳泵入深层,以防止气体进入大气。在这种情况下,在岩石的微小孔隙中形成气泡是一个优点,因为气泡倾向于阻塞流动并使气体保持在适当位置,防止气体泄漏回来。

但出于同样的原因,天然气井中的气泡形成可能是一个问题,因为它也会阻塞流动,抑制提取所需天然气的能力。“它可以固定在孔隙空间中,”他说。“能够推动这一泡沫需要更大的压力。”

“这是一项非常精细和细致的工作,”英国布里斯托尔大学应用??数学教授Jens Eggers说,他没有参与这项研究。“不言而喻,本文成功的很大一部分原因在于它得到了细致和定量实验的支持。”

他说,这些发现反映了“复杂性更高的事实”

比起以前认为的那样的问题。“Eggers补充道,”当然,了解这种复杂性对于应用来说至关重要,因为人们无法选择问题的一个特别简单的部分,但必须面对所有的复杂问题。 “。

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