对称双空泡坍塌诱导液滴破碎的动力学机制及能量耗散规律研究

本研究针对空化乳化技术中液滴破碎机制不清的难题，通过直接数值模拟(DNS)揭示了双空泡对称坍塌诱导油滴破碎的动态过程。研究团队采用VOF多相流模型，系统探究了界面张力(σdc)、粘度比(λ)、尺寸比(β)和驱动压力(ΔP)对液滴变形及能量耗散率(ε)的影响规律，建立了ε与韦伯数(We)、奥内佐格数(Oh)的定量关系，为优化工业空化系统能效提供了理论依据。

　　

在食品、医药和化妆品等行业中，乳液制备技术至关重要。传统乳化方法往往面临能耗高、粒径分布不均等问题，而基于水力空化的乳化技术因其高效节能特性备受关注。然而，空泡坍塌如何诱导液滴破碎这一核心机制尚未完全阐明，特别是多空泡协同作用下的动态过程仍缺乏系统研究。这严重制约了空化乳化设备的优化设计和过程调控。

爱尔兰利莫瑞克大学伯纳尔研究所(Bernal Institute, University of Limerick)的Deepak K. Pandey团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表研究，通过高精度直接数值模拟(DNS)，首次揭示了双空泡对称坍塌过程中油滴破碎的动力学机制。研究人员采用体积分数法(VOF)捕捉三相界面运动，结合Tait状态方程描述流体可压缩性，通过自适应网格加密技术解析了微米尺度下的瞬态流动特征。研究系统考察了σ_dc(0.01-0.05 N/m)、λ(1-500)、β(0.075-5)和ΔP(1×10⁶-1×10⁷ Pa)等参数的影响，并通过Richardson外推法验证了网格无关性。

4.1 验证与验证

通过与Orthaber等实验数据对比，验证了模型在单空泡振荡动力学预测上的准确性。特别在第二振荡周期，本研究引入的相变修正因子(0.35)使模拟结果更接近实验观测，优于传统不可凝气体假设(K-M模型)。

4.2 液滴破碎过程

双空泡的对称坍塌产生独特的流场结构：初期(1-8 μs)空泡膨胀形成径向外流，液滴轴向拉伸；14 μs后空泡坍塌产生高速射流(最高139 m/s)，在液滴两侧形成压力梯度(P_max/P_min≈10³)，诱发涡环和界面失稳。有趣的是，低σ_dc(0.01 N/m)时液滴发生多重断裂，而高σ_dc(0.05 N/m)仅出现轻微变形。

4.3 界面张力影响

σ_dc显著调控破碎模式：当σ_dc从0.01增至0.05 N/m，临界韦伯数We_crit升高46%，最大周长比(P/P₀)从8.21降至7.42。这表明界面张力通过抑制毛细不稳定性，延缓了液滴断裂。

4.4 粘度比效应

高粘度比(λ=500)的液滴表现类固体行为，内部粘性耗散吸收85%的坍塌能量，仅产生1.28倍周长扩展。而低粘度(λ=1)液滴则形成复杂丝状结构，符合ε∝λ^-0.06的标度律。

4.5 尺寸比调控

β=5时液滴体积占主导，空泡射流被显著偏转，形成非对称剪切层；而β=0.075时液滴几乎不受影响。这表明存在最优β值(≈2.5)可实现最大能量传递效率。

4.6 能量耗散规律

研究建立了ε^*=5(σ_dc/σ_cav-c)(ΔP/P_∞)^-0.6β^0.03λ^-0.06的预测模型，发现最大26%的坍塌能量转化为有效耗散。这一发现为设计多空泡反应器提供了量化依据，通过优化ΔP和β组合，可实现在降低30%能耗的同时获得更窄的粒径分布。

该研究首次从介观尺度揭示了多空泡协同破碎液滴的物理机制，建立的普适性标度关系为水力空化设备的智能调控奠定了理论基础。特别是提出的"双空泡对称聚焦"效应，为开发新一代高效乳化装置提供了全新思路。未来研究可进一步探索三维非对称空泡群与多液滴体系的复杂相互作用。