清華新聞網(wǎng)9月29日電 通過(guò)連續(xù)改變液-液兩相湍流分散體系中兩種液體相的體積比，可以實(shí)現(xiàn)“突變”相反轉(zhuǎn)（Catastrophic phase inversion），即連續(xù)相與分散相的反轉(zhuǎn)過(guò)程，該現(xiàn)象在石油開(kāi)采與輸運(yùn)、化工生產(chǎn)與材料制備等工業(yè)過(guò)程中具有重要應(yīng)用。然而目前對(duì)于液液兩相體系相反轉(zhuǎn)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)機(jī)理的理解仍十分有限，其“突變”特征的機(jī)制也尚無(wú)定論。
近期，清華大學(xué)能動(dòng)系孫超教授課題組和合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)高精度實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬方法，從宏觀動(dòng)力學(xué)與微觀相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變兩個(gè)角度，揭示了油水液-液兩相體系在相反轉(zhuǎn)過(guò)程中特征參數(shù)的臨界發(fā)散規(guī)律，提出了相反轉(zhuǎn)“突變”特征的解釋機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了相反轉(zhuǎn)過(guò)程中的臨界漲落現(xiàn)象與經(jīng)典臨界相變過(guò)程之間的內(nèi)在聯(lián)系。
圖1.（a）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。（b）油水兩相湍流的相反轉(zhuǎn)過(guò)程。（c）相反轉(zhuǎn)過(guò)程中扭矩脈動(dòng)量的臨界發(fā)散行為
利用自行設(shè)計(jì)搭建的多相剪切湍流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，課題組在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)92%的相反轉(zhuǎn)體積分?jǐn)?shù)，并得到正向與反向?qū)嶒?yàn)之間80%體積分?jǐn)?shù)寬度的相反轉(zhuǎn)遲滯效應(yīng)區(qū)間。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)扭矩脈動(dòng)量在靠近相反轉(zhuǎn)點(diǎn)過(guò)程中遵循臨界指數(shù)發(fā)散規(guī)律，而相反轉(zhuǎn)事件的觸發(fā)具有隨機(jī)特性（圖1）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，微觀分散相結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)異質(zhì)性增強(qiáng)，并表現(xiàn)出一定程度的長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)，結(jié)構(gòu)特征尺寸具有臨界發(fā)散特征，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)得到了荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)合作團(tuán)隊(duì)的三維數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證（圖2）。宏觀動(dòng)力學(xué)與微觀相結(jié)構(gòu)上的臨界轉(zhuǎn)變規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，為油水兩相湍流中相反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的“突變”特征提供了一個(gè)解釋機(jī)制。
圖2.（a）三維全分辨數(shù)值模擬。（b）微觀分散相結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為。（c-d）實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬中分散相結(jié)構(gòu)特征尺寸的臨界發(fā)散特征
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)建立了油水兩相湍流非平衡相反轉(zhuǎn)過(guò)程與經(jīng)典熱力學(xué)平衡臨界相變過(guò)程之間的聯(lián)系。該研究拓展了液液兩相湍流相反轉(zhuǎn)過(guò)程中臨界動(dòng)力學(xué)行為的研究方向，同時(shí)為推動(dòng)理解流體動(dòng)力學(xué)與凝聚態(tài)物理概念之間的內(nèi)在聯(lián)系提供了新的機(jī)遇。
相關(guān)研究成果以“油水兩相湍流相反轉(zhuǎn)過(guò)程中的臨界漲落發(fā)散現(xiàn)象”（Divergence of Critical Fluctuations on Approaching Catastrophic Phase Inversion in Turbulent Emulsions）為題，于9月26日在線(xiàn)發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）雜志。
清華大學(xué)能動(dòng)系2018級(jí)博士生易磊為論文第一作者，清華大學(xué)燃燒能源中心、能動(dòng)系教授、新基石研究員孫超與荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)教授費(fèi)德里科·托斯基（Federico Toschi）為論文通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目“非線(xiàn)性力學(xué)的多尺度問(wèn)題研究”、騰訊新基石研究員項(xiàng)目及科學(xué)探索獎(jiǎng)項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.134001
供稿：能動(dòng)系
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
