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宇航学院陈晓东特别研究员在流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics上发表最新研究成果

作者: 日期:2019-07-05 点击量:

  供稿:陈晓东         编辑:杨丽静

  近期,宇航学院力学系陈晓东特别研究员在流体力学顶级期刊 Journal of Fluid Mechanics (JFM)上发表了题为“Confinements Regulate Capillary Instabilities of Fluid Threads”的研究论文。该论文由陈晓东特别研究员(第一作者)、浙江大学工程力学系胡国庆教授(通讯作者)及其博士生薛春东共同完成,北京理工大学宇航学院为第一单位。

  

  图. 典型受限丝状流体的断裂过程(数值模拟结果的光线跟踪渲染)

  丝状流体断裂(fluid thread breakup)是自然界、工业界和日常生活中的常见现象。例如,从花洒喷出的柱状水流在空气中失稳而断裂成水滴。不同的是,受限空间中的丝状流体通常是稳定的。例如,静脉输液管道中的长气泡随液体缓慢运动时可保持其形状。受限空间中丝状流体断裂现象也存在于多个工业过程中,包括强化原油采收(enhanced oil recovery)中孔隙尺度界面流动、液滴微流控(droplet-based microfluidics)装置中的微液滴产生过程等。壁面和流动的限制作用一直被认为是受限空间中丝状流体断裂区别于自由空间中液丝断裂的特点,但限制作用对断裂过程的具体影响并不清楚,以往研究中关于低流速下受限丝状流体断裂起源的观点相互矛盾,成为困惑相关研究领域研究人员难题。

  为解决这一流体力学难题,研究人员设计制造出具有圆截面通道的微流控芯片,使受限液丝在极低的流速下断裂,进而单独研究界面张力在受限丝状流体断裂过程中的效应。研究采用基于流动停止(stop-flow)方法的高速摄影实验和直接数值模拟,获得了不同受限条件下的临界断裂几何条件。结合定量理论分析,揭示受限丝状流体断裂的两种毛细不稳定性机理:一种是由限制作用引起的毛细压力梯度,另一种是由限制作用决定的毛细压力与内部压力之间的竞争。经研究所证实的两个毛细不稳定性机理不仅揭示了低流速下受限丝状流体断裂的起源,而且还可用于指导新型液滴微流控的设计,提高液滴/气泡生成的效率和精度。该工作得到了国家自然科学基金和北京理工大学青年教师启动基金的支持。

  【论文链接】

  https://doi.org/10.1017/jfm.2019.426

  【第一作者简介】

  陈晓东特别研究员,2018年1月加入北京理工大学宇航学院力学系,长期从事微尺度多相流动问题的研究,以直接数值模拟、高速显微摄影和量化理论分析相结合的研究方法,瞄准微尺度多相流的基础理论与应用技术开展基础研究,并致力于推进流体力学在生物医学中的应用。研究方向主要包括以下3个方面:(1) 拓扑导向网格加密及界面流动机理;(2) 液滴相互作用模式及预测模型;(3) 微尺度离散相迁移及输运规律。研究成果还发表在Journal of Computational Physics、Physics of Fluids、Physical Review Applied、Advanced Science、Lab on a Chip、Analytical Chemistry等流体力学学科和交叉学科权威学术期刊上。作为负责人承担了国家自然科学基金青年科学基金项目、国家自然科学基金面上项目、北京市科技新星计划交叉学科合作课题等。

  

  (审核:胡更开)