近日，北京理工大学宇航学院李真珍副研究员、刘战伟教授联合加拿大西部大学Jerzy M. Floryan教授在自由液面的马兰戈尼不稳定性方面取得新进展。相关成果以“Experiments on Marangoni spreading - evidence of a new type of interfacial instability”为题发表于流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics (958: A33, 2023)。北京理工大学为唯一通讯单位，宇航学院李真珍副研究员、刘战伟教授为共同通讯作者，北京理工大学2022硕士毕业生马雪、黄耀为论文的第一、第二作者，硕士研究生黄彦如参与工作，加拿大西部大学Jerzy M. Floryan教授为共同作者。该研究得到了北理工青年教师启动计划、国家自然科学基金面上项目的资助。
马兰戈尼流动在自然界广泛存在，并在工业中也有重要应用。在呼吸道药物输运，尤其是含有表面活性剂的药物疗法中，研究粘弹性液膜表面的马兰戈尼铺展过程有助于解释其药物输运的动力学过程，为治疗方案提供指导。这些重要的应用启发了国内外学者近30年来开展关于马兰戈尼流动和液体传质方面的研究。考虑到呼吸道表面的复杂流体性质，我们结合高粘度和流变性质对复杂流体的铺展动力学机理进行分析和建模，提出呼吸道表面液膜在铺展过程中失稳的临界条件和不稳定波长的选择机制。
我们分析了流体粘性和粘弹性对马兰戈尼不稳定花纹的影响。首先利用牛顿流体，考虑经典Saffman-Taylor失稳临界条件，提出了自由液面稀溶液推入粘溶液形成丝状不稳定条纹的临界毛细数
。进而利用粘弹性流体，通过多种实验表征手段对不稳定现象进行三维的描绘，使用颗粒示踪法（PTV）描述铺展过程中移动接触线附近的速度场，通过分析颗粒的密度分布估算其残留液膜的厚度。通过透射点阵光学折射法分析界面扰动，其高度扰动结果与颗粒示踪法估算的液膜厚度扰动一致。
我们对这种粘弹性引起的脊状不稳定现象进行几何解释，并结合PTV实验和量纲分析，描述了粘弹性液膜内部的弹性剪切形变，解释其失稳机理，从而帮助更好地理解吸入式药物在呼吸道中的输运过程。
论文连接：
https://doi.org/10.1017/jfm.2023.108
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0028882
图：马兰戈尼铺展流动以及PTV、透射光栅法的实验表征。
