以第四类物质——等离子体为混合目标的多相流研讨

  2024年5月21日，江苏大学王军锋（现为重庆大学弘深出色学者，二级教授）教授团队与丹麦奥胡斯大学Mingdong Dong教授团队协作在期刊上宣布了题为“Occurrence of giant plasma bubble in liquid”的最新研讨成果，并被修改引荐为期刊封面论文。

  当流体遭到电场效果时，因为带电粒子与流体界面之间的耦协效果，其活动现象与传统流体比较具有其一起的特征。本研讨初次报导了强电场效果下荷电液-气多相流系统中气泡从微观到微观的跨标准改变进程。这一现象源于带电粒子与中性粒子之间的相互效果，由此发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安稳性具有极端严重影响，突破了传统的以气-液-固三态混合物为研讨目标的多相流系统，触及丰厚的多相流前沿科学问题和理论立异。

  王军锋教授是榜首作者兼通讯作者，Mingdong Dong教授是一起通讯作者，张伟博士后是一起榜首作者。

  经过电场调控气体在液体中的涣散可先后取得滴状、混合和喷雾三种不同的气泡涣散形式（图1A-D）。当施加在电极上的电压超越临界值时，气泡的大小会从微米级急剧改变为毫米级，而未遵从瑞利极限理论进一步破碎（图1E&F）。这是因为外加电压到达临界值引起了相变，气体在液相中发生电离发生了等离子体（图1G）。气泡内部气体电离发生的离子风较气流对界面具有更大的冲击力（图1I）。此外，因为气泡顶部外表临离子风的缓冲效果，离子风会在气泡内部构成回流，对气泡底部构成冲击，造成了气泡底部方位在毛细管口之下的现象。从流体动力学的视点来看，一个大的气泡外表会发生不安稳性，而气泡内部存在带电粒子和中性粒子的高频磕碰，导致气泡的不安稳性增强。因而本研讨的一个重要问题是非常规巨型气泡构成进程中的等离子体-液相界面安稳性。

  等离子体气泡的成长动力学和界面安稳性与施加电压严密相关。在不同电压下，每个气泡的高度都阅历了一个缓慢的振动上升进程，然后在缩颈阶段敏捷拉升。当放电电压较低时，气泡高度在呈现出近似周期性振动（图2A）。但是，在高电压下，气泡高度的演化不规则，不同气泡的最大高度或许会有很大差异（图2B）。气泡在外表毛细管波的推进下向上开展（2C&D）。当外表张力不足以保持等离子体气泡的根本形状时，其中心部分呈现了一个细长的颈部。这种颈部终究坍塌，等离子气泡的上部在浮力的效果下开端上升，而其基部因为等离子体效果依然附着在毛细管上。定量成果为，电压越高，外表毛细波的振幅越强（图2E）。

  等离子体气泡别离部分的半径和附着部分的半径决议了等离子气泡的终究形状。考虑更多的试验工况，发现界面的安稳性对等离子气泡别离部分的影响更为明显（图3A&B）。因而，在高电压条件下，因为激烈的界面扰动，气泡别离部分的尺度散布规模更广（3C）。根据驱动力和流体动力学力的平衡，经过无量纲分析取得了气泡形状随电场改变的演化规则（图3D&E）。

  在放电进程中，离子和电子均能够在强电场效果下被加快而取得能量，但是因为离子的磕碰界面远大于电子，因而电子被加快取得的能量更高；此外，电子相对于离子在磕碰激起和磕碰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呈现差异（图4A&B）。在同一电压下，虽然两种极性条件所发生的气泡尺度差异较小，但从界面的安稳性来看，负极性电晕放电下的气泡外表动摇更剧烈（图4C-F）。

  经过电场调控液滴、气泡涣散与输运特性，强化多相流传热传质及反响进程是荷电多相流理论在动力高效转化使用范畴的重要使用。该研讨立异性地构建了液-气（等离子体）系统并进行了可视化丈量研讨，成功地观察到低温等离子体在液相中构成安稳大气泡的物理学新现象，初次报导了液相中低温等离子气泡的动力学特性。该研讨提升了对传统固液气多相流研讨系统的认知，构建了以第四类物质等离子体-液体为研讨目标的新式多相流，其在动力高效转化方面极具使用价值。

  该作业遭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”研讨与立异方案项目（101086226）、丹麦独立研讨理事会项目（9040-00219B）、江苏省科技方案专项（立异支撑方案世界科学技术协作）项目（BZ2022016）以及江苏省杰出博士后方案（2022ZB663）的支撑。（来历：科学网）