作者:王军锋等 来源:《物质》 发布时间:2024/5/28 12:30:43
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以第四类物质——等离子体为混合对象的多相流研究

 

2024年5月21日,江苏大学王军锋(现为重庆大学弘深杰出学者,二级教授)教授团队与丹麦奥胡斯大学Mingdong Dong教授团队合作在Matter期刊上发表了题为“Occurrence of giant plasma bubble in liquid”的最新研究成果,并被编辑推荐为期刊封面论文。

当流体受到电场作用时,由于带电粒子与流体界面之间的耦合作用,其流动现象与传统流体相比具有其独特的特征。本研究首次报道了强电场作用下荷电液-气多相流系统中气泡从微观到宏观的跨尺度转变过程。这一现象源于带电粒子与中性粒子之间的相互作用,由此产生的等离子体气泡以及电离气体与液体之间的界面现象对流体动力学特性和界面稳定性具有重要影响,突破了传统的以气-液-固三态混合物为研究对象的多相流体系,涉及丰富的多相流前沿科学问题和理论创新。

王军锋教授是第一作者兼通讯作者,Mingdong Dong教授是共同通讯作者,张伟博士后是共同第一作者。

通过电场调控气体在液体中的分散可先后获得滴状、混合和喷雾三种不同的气泡分散模式(图1A-D)。当施加在电极上的电压超过临界值时,气泡的大小会从微米级急剧转变为毫米级,而未遵循瑞利极限理论进一步破碎(图1E&F)。这是由于外加电压达到临界值引起了相变,气体在液相中发生电离产生了等离子体(图1G)。气泡内部气体电离产生的离子风较气流对界面具有更大的冲击力(图1I)。此外,由于气泡顶部表面对离子风的缓冲作用,离子风会在气泡内部形成回流,对气泡底部形成冲击,造成了气泡底部位置在毛细管口之下的现象。从流体动力学的角度来看,一个大的气泡表面会产生不稳定性,而气泡内部存在带电粒子和中性粒子的高频碰撞,导致气泡的不稳定性增强。因此本研究的一个重要问题是非常规巨型气泡形成过程中的等离子体-液相界面稳定性。

图1:电场作用下的气泡分散模式及等离子体气泡形成的机理。

等离子体气泡的生长动力学和界面稳定性与施加电压密切相关。在不同电压下,每个气泡的高度都经历了一个缓慢的振荡上升过程,然后在缩颈阶段迅速拉升。当放电电压较低时,气泡高度在呈现出近似周期性振荡(图2A)。然而,在高电压下,气泡高度的演变不规则,不同气泡的最大高度可能会有很大差异(图2B)。气泡在表面毛细管波的推动下向上发展(2C&D)。当表面张力不足以维持等离子体气泡的基本形状时,其中间部分出现了一个细长的颈部。这种颈部最终崩塌,等离子气泡的上部在浮力的作用下开始上升,而其基部由于等离子体作用仍然附着在毛细管上。定量结果显示,电压越高,表面毛细波的振幅越强(图2E)。

图2:电压对等离子体气泡生长动力学和界面稳定性的影响。

等离子体气泡分离部分的半径和附着部分的半径决定了等离子气泡的最终形态。考虑更多的实验工况,发现界面的稳定性对等离子气泡分离部分的影响更为显著(图3A&B)。因此,在高电压条件下,由于强烈的界面扰动,气泡分离部分的尺寸分布范围更广(3C)。基于驱动力和流体动力学力的平衡,通过无量纲分析获得了气泡形态随电场变化的演变规律(图3D&E)。

图3:等离子体气泡脱离的尺寸模型。

在放电过程中,离子和电子均可以在强电场作用下被加速而获得能量,然而由于离子的碰撞界面远大于电子,因此电子被加速获得的能量更高;此外,电子相对于离子在碰撞激发和碰撞电离中传递给中性粒子的能量更大。在这种能量转换机制下,放电极性的不同必然会导致等离子气泡的界面出现差异(图4A&B)。在同一电压下,尽管两种极性条件所产生的气泡尺寸差异较小,但从界面的稳定性来看,负极性电晕放电下的气泡表面波动更剧烈(图4C-F)。

图4:极性效应对界面稳定性的影响。

通过电场调控液滴、气泡分散与输运特性,强化多相流传热传质及反应过程是荷电多相流理论在能源高效转化利用领域的重要应用。该研究创新性地构建了液-气(等离子体)系统并进行了可视化测量研究,成功地观察到低温等离子体在液相中形成稳定大气泡的物理学新现象,首次报道了液相中低温等离子气泡的动力学特性。该研究提升了对传统固液气多相流研究体系的认知,构建了以第四类物质——等离子体-液体为研究对象的新型多相流,其在能源高效转化方面极具应用价值。

该工作受到国家自然科学基金重点项目(52036007)、国家自然科学基金青年基金项目(52206201)、欧盟“欧洲地平线”研究与创新计划项目(101086226)、丹麦独立研究理事会项目(9040-00219B)、江苏省科技计划专项(创新支撑计划国际科技合作)项目(BZ2022016)以及江苏省卓越博士后计划(2022ZB663)的支持。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.04.032

 
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