液滴热毛细迁移问题是微重力流体力学经典问题之一，主要研究微重力（或零重力）情况下，液滴在温度梯度的驱动下的迁移规律，在空间焊接、太空污水处理、食品加工以及其它空间材料过程等方面有着广阔的应用背景。

 

中科院力学所国家微重力实验室也在长期关注这一问题，并且在近期取得数值模拟方面的新进展：研究人员用差分方法求解了轴对称模型下耦合了能量方程的Navier-Stokes方程，利用front-tracking方法捕捉运动的液滴界面，全面的分析了该问题的每个控制参数（Ma数、Re数，液滴和母液的粘性比、热扩散率比、密度比）对迁移过程以及迁移速度的影响。

 

研究发现：Ma数对液滴迁移速度有着比较明显的影响，大Ma数时，热对流能明显改变液滴界面附近的温度分布，从而引起迁移速度的起伏；Re数对最终的迁移速度影响比较小，但会明显影响液滴加速的过程；粘性系数比是影响迁移速度的最大因素，迁移速度随粘性系数减小而增大的增速要高于线性增速；液滴迁移速度随热扩散率之比的增大而增大，随密度比的增大而减小。

 

Ma比较大时，迁移速度的起伏现象此前也有报道。此前报道的气泡的迁移速度起伏的主要原因是气泡的变形，由于气泡内部密度比较小，气泡内部温度重新分布的影响比较小。而对于液滴，研究人员发现迁移速度的起伏主要原因是热对流比较强，将液滴内部的低温部分带到液滴上部，从而使得液滴表面附近上下的温度差减小，形成迁移速度的先上升再下降的现象.

 

研究人员还提出液滴热毛细迁移的机制是界面张力驱动母液反方向运动，因此母液的粘性作用既提供驱动力，也提供阻力，并依此解释了Re大（母液粘性小）的时候，液滴的能达到的最大迁移速度比Re小的时候大的现象。

 

关于液滴和母液的密度比，研究人员分析认为，虽然很自然的密度比低的液滴的迁移速度更高，但由于密度比低时液滴内部温度受对流影响更大，从而更容易引起温度的重新分布，削弱惯性的影响，使得迁移速度不会随密度比的降低线性增加。

 

为了寻求与实验的对比，研究人员还用数值方法研究了几种初始条件下液滴的迁移规律，为今后这方面的实验提供了对照。

 

与传统实验相比，该研究利用数值模拟的优势，系统全面的分析了各个控制参数影响液滴迁移过程的物理规律，为液滴热毛细迁移规律提供了一个全景图，同时提出了很多富有启发性的物理分析。

 

相关研究成果发表在流体力学期刊《流体物理学》（Phy. Fluids）上。（来源：中国科学院力学研究所）

（《流体物理学》（Physics of Fluids），20, 082101 (2008)，尹兆华，高鹏，胡文瑞 ＆常磊）

 

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