新的麻省理工学院研究细节液滴如何在液体表面上“浮动”

在一滴硅油油坐在温水浴中的漩涡可视化。温度差产生通过在荧光颗粒上闪亮的绿色激光照射作为被动示踪剂的荧光颗粒来显现的再循环流动。

热咖啡中的一两滴冷奶油可以走很长的路，才能改善一个人的早晨。但如果两个液体没有混合怎么办？

在新出版的研究中，麻省理工学院科学家解释为什么在某些条件下，液体不应与下面的液体表面合并。如果液滴非常冷，并且浴足够热，则由于温度差异引起的流动，液滴应“浮动”在浴的表面上。

该团队的结果在流体力学杂志上发表，提供了对滴结的详细的数学理解，可以在日常现象中观察到，从咖啡中倒入雨滴越过水坑的雨滴，以及在冲浪区域中产生的喷雾。

结果可以帮助研究人员了解生物或化学物质如何在自然界中覆盖或其他喷雾剂。它们还可以作为基于液滴的设计指导，例如微流体芯片，其中携带各种试剂的液滴可以设计成仅在某些温度下在芯片中的某些位置混合。通过这种新的理解，研究人员还可以工程液滴作为零重力环境中的机械滚珠轴承。

“基于我们的新理论，工程师可以确定他们需要单独维持两滴的初始临界温度差异是什么，以及由这些悬浮液滴构成的轴承的最大重量是能够维持的，”Michela Geri说，“ MIT机械工程系和研究领先作者的研究生。“如果你有基本的理解，你可以开始以你想要的方式设计的东西。”

Geri的共同作者是Bavand Keshavarz，MIT数学系的应用数学教授John Bush，John Bush，以及教学创新工程教授Gareth McKinley的应用数学教授。

令人振奋的实验

该团队的成果脱离了布什在他的研究生课程中提出的问题18.357（界面现象）：为什么温差在液滴的聚结中发挥作用或混合？

在当时正在参加课程的杰里接受了挑战，首先在麦金利实验室进行一系列实验。

她建造了一个小盒子，关于浓缩咖啡杯的大小，用丙烯酸墙和金属地板，她放在热/冷板上。她用硅氧烷油浴缸填充了立方体，刚刚在浴缸的表面上方，她设置了一个注射器，通过该注射器，她泵送了相同粘度的硅油的液滴。在每个系列实验中，她设定了热/冷板的温度，并测量了通过注射器和浴表面泵送的油的温度。

Geri使用高速相机录制每个液滴，每秒2,000帧，从注射器从注射器释放到它与浴缸彻底混合的时间。她使用硅油进行了该实验，其中含有一系列粘度，从水相厚500倍。

一滴奶油的聚结会进入热咖啡的浴。（由研究人员提供）

她发现，随着两个流体之间的温度梯度增加，液滴似乎在浴室的表面上汲取。她能够浮现一滴液滴，通过保持高达30摄氏度的温差或54华氏度的温度差，与一滴室温牛奶的差异相比，长达10秒热的黑咖啡浴。

Geri绘制了数据并观察到液滴在浴室表面的停留时间似乎取决于两个流体之间的初始温差，提升到三分之二的功率。她还注意到，存在临界温度差，在该临界温度差异在其上液滴不会混合，而是在液体表面上浮出。

“我们在实验室中清楚地看到了这种关系，然后试图制定一个理论，希望能够合理化这种依赖，”杰里说。

在坐在温水浴中的待处理下降中的再循环涡流的可视化。温度差产生通过将绿色激光照射到荧光颗粒以作为被动示踪剂的荧光粒子闪耀而可视化的再循环流动，以便流动可视化。（由研究人员提供）

在坐在温水浴中的待处理下降中的再循环涡流的可视化。温度差产生通过将绿色激光照射到荧光颗粒的荧光粒子来可视化的再循环流动，以便流动可视化。（由研究人员提供）

垫子的性格

该团队首先看起来将液滴从浴中分开的空气层。研究人员假设两个流体之间的温差可能影响该气垫，这可能又可以递回到液滴。

为了数学地研究该想法，研究人员在流体力学中进行了计算，作为润滑分析，其中适当地简化了描述流体运动的复杂方程，以描述液滴和浴之间的空气流动。

通过这些等式，他们发现流体下降和流体浴之间的温度差异产生对流，或在介入空气层中产生对流或循环电流。温度差异越大，空气电流越强，越大推动液滴重量的压力越大，防止它与浴缸接触。

“我们发现来自液滴的重量和来自空气层的再循环的力的力将在一点上平衡，并获得平衡，你需要最小或临界温差，以便液滴浮动，“杰里说。

在一滴水中

接下来，该团队寻找一个数学解释，为什么他们观察到液滴在液面上悬浮液的时间量和两个流体之间的初始温度差之间的时间之间的2：3的关系。

“为此，我们不得不考虑下降的温度随着时间的推移而变化并接近浴缸的温度，”Geri说。

“随着温度差异，在下降内产生流量，从浴缸中汲取热量，然后循环到液滴温度与浴室相同，并且您不再浮动，”布什增加。“我们能够在数学上描述这一过程。”

为此，研究人员改编了另一组方程，描述了两个流体的混合。它们使用方程式来模拟在下面的浴缸中加热的液滴内的温暖的液体。他们能够表征那个液体如何与液滴的较冷部分混合，随着时间的推移升温整个液滴。

通过这种建模，它们可以观察到流体之间的温差随着时间的推移而降低，液滴停止悬浮并最终与浴室的其余部分混合。

“如果你在数学上学习这个过程，你可以显示在我们在我们实验中观察到的2/3的这种电力法的温度在液滴中改变的方式，”Geri说。

布什表示，它们的结果可用于表征通过雨滴和喷雾剂转移的某些化学和生物药物的扩散。

“有很多生物和化学混合事件涉及液滴相互作用，包括在冲浪区中，波浪打破和各处的小滴，在热水浴池中，气泡突破并释放沿着表面上的漏洞，”布什说。“这些代理混合物的速率将取决于在合并前脱落的长度落后。现在我们知道这取决于温度，我们可以完全说明。“

通过能源奖学金计划，部分科学基金会和麻省理工学院能源倡议得到了支持的支持。

出版物：Michela Geri等，“滴加聚结的热延迟”，流体力学，2017年杂志; DOI：10.1017 / JFM.2017.686

编辑注意：本文的早期版本列出了30摄氏度温差，相当于华氏度的86度差异。虽然30摄氏度为86华氏度，但摄氏度的30度差异相当于华氏度的54度差异。