研究流体动力学的科学家探索界面张力的作用机制
通过检查流体的流动，科学家对两种液体之间的界面进行了研究，重点关注一种称为界面张力的力。他们的数值模拟帮助他们更好地理解界面张力的作用机制。这项工作有助于理解界面流体动力学。它在从石油开采到医疗用途的各个领域都有潜在的应用。
他们的研究成果于 2023 年 6 月 20 日发表在《流体力学杂志》上。
在两种流体之间的界面中，科学家认为扩散在完全混溶或完全混合的系统中非常重要。相比之下，油和水是不混溶液体的例子，它们不能很好地混合在一起。科学家认为界面张力在完全不混溶的系统中非常重要。然而，即使在完全混溶的体系中，如果混合过程缓慢，则预计会产生界面张力等力。这称为有效界面张力。
科学家还知道，流动强度和界面的流体动力学不稳定性之间存在单调关系，永远不会增加或减少。流动越强，流体动力不稳定性越大。最近使用流动和有效界面张力的实验表明单调关系被打破。然而，实验尚未阐明这一过程的作用机制。“我们认为阐明这一机制在界面流体动力学领域具有学术价值，”东京农工大学助理教授 Ryuta X. Suzuki 说。
研究小组通过数值模拟阐明了有效界面张力对两种溶液混合过程中流动的影响。他们研究了两种液体之间发生的弱界面张力或有效界面张力的影响，直到它们完全混合时界面的流体动力学不稳定性。他们专门研究了一种称为粘性指状的现象，其中由于两种流体的粘度差异，界面以手指状扩展。粘性指进，也称为萨夫曼-泰勒不稳定性，是一种基本但难以控制的界面不稳定性。
通过数值模拟，该团队获得的结果推翻了传统观点，即界面处的流体动力学不稳定性随着流速的增加而增加，即指宽减小。他们的工作阐明了这种现象背后的机制。“特别是，本研究的结果推翻了流动强度和不稳定性单调变化的假设，”印度理工学院 Ropar 学院教授 Manoranjan Mishra 说。
“这一结果表明，界面处的流体动力学不稳定性可以通过有效界面张力和流速来控制，并且是未来实验、数值和理论研究的先驱，这些研究将导致使用有效界面张力控制粘性指进的方法。紧张，”铃木说。
该团队认为这一结果是一项重要发现，将有助于创建提高石油采收率过程的新控制方法。他们还发现他们的工作在胃酸不溶解胃而仅溶解食物的过程中具有重要的应用。胃酸和胃粘液之间的关系与这项研究有关，未来可能成为医学领域的一个重要概念。
铃木说：“虽然自 20 世纪 50 年代以来人们一直在研究粘性指进，但这项研究具有学术价值，因为它是一个决定性的结果，共产党了传统观点，即流动强度和界面流体动力学不稳定性之间存在单调关系。” 展望未来，该团队希望他们的工作能够成为进一步实验、数值和理论研究有效界面张力粘性指进控制方法的先驱。
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