均匀Stokes流中的两个接触/自组装液滴的粘性能量耗散

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基于液滴的微流体力学具有很多动力学现象,其中之一是单分散性或多分散性液滴在微通道中运动时,会自组装成相对稳定的有规律的排列结构。液滴自组装的意义在于新的粒子或材料的合成、通过液滴组装结构的信息表达、细胞的有序封装等。对液滴自组装规律研究能够为制造科学带来新的思路。通过改变微通道结构、流阻、压力或流速等条件,可以得到液滴不同的组装结果。值得注意的是液滴是在流场中发生自组装的,液滴组装结构也被称为“流动的晶体”,而流场是始终具有能量耗散的,包括液滴内部流动,所以液滴微流动系统是一个能量耗散系统,因此液滴组装是在耗散系统中进行的。然而目前尚缺乏针对液滴自组装现象中流动的能量耗散研究,本文关注自组装现象中液滴内部流体流动的能量耗散,以深入理解液滴自组装现象。本文研究了均匀Stokes流中两个接触/自组装液滴的粘性能量耗散。基于两液滴的Stokes绕流解,使用切比雪夫谱方法以及Filon积分方法计算了两个液滴单位时间的能量耗散。通过改变两个接触自组装液滴的大小,并对比单个液滴Stokes绕流的能量耗散结果,得到了两个接触自组装液滴粘性耗散能的理论模型。我们通过建立的理论模型发现,在恒定的外部连续相流体粘度下,任一液滴的单位时间能量耗散随液滴内粘度的增加而增加,并且在内外两相流体粘度相等时达到峰值。另外,在两个接触自组装液滴尺寸确定,互换前后位置,两液滴每单位时间的总能量耗散保持不变。任一液滴的每单位时间的能量耗散都随两个液滴相对大小的变化而变化。两个接触自组装的液滴单位时间的总耗能小于在接触自组装之前两个液滴的单位时间的总耗能之和,尤其是当两个液滴的大小相等时,其单个液滴单位时间的能量秏散约为同样尺寸单个液滴Stokes绕流时结果的1/6。因此,两个液滴的接触或自组装行为将使液滴内部流动的能量耗散变小,从而可以为整个流动系统节省能量。本文的研究为液滴自组装研究提供了一个新的视角,可以促进液滴碰撞和融合研究,从而为相关应用带来好处。
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