颗粒物质重塑空化气泡诱导的表面射流动力学

本研究通过构建浮球-空化气泡相互作用模型，揭示了颗粒物质对水面射流动力学的重塑机制。研究人员发现表面颗粒可降低射流形成能量阈值，并识别出Tiered Jet、Jet Cavity等五种新型射流模式。通过引入无量纲浸没时间tc和气泡无量纲深度?，建立了射流模式相图，为气溶胶生成、污染物管理等应用提供了新理论依据。

　　

水面射流现象在气候学、环境科学和医疗健康等领域具有重要影响。传统研究多基于理想洁净水面条件，而现实中水体表面普遍存在微塑料、微生物等颗粒污染物。这些颗粒如何改变射流动力学？这一问题长期缺乏系统研究。现有模型主要关注纳米/微米级颗粒，对数百微米级大颗粒的影响机制存在认知空白。

中国某研究机构（根据原文作者署名单位推断为国内机构）的Xianggang Cheng、Xiao-Peng Chen等人在《Nature Communications》发表研究，通过浮球模拟表面颗粒、火花空化气泡驱动射流，首次揭示了大颗粒物质对水面射流的重塑规律。研究发现颗粒存在可使射流形成能量阈值降低一个数量级，并产生五种新型射流模式，为环境污染物传播和医疗气溶胶递送提供了新见解。

关键技术包括：1）采用低电压放电法生成R_m=9.2mm的可控火花空化气泡；2）使用100-2500μm不同材质（铜、不锈钢、ZrO₂等）浮球模拟表面颗粒；3）通过接触角调控（81°-154°）实现亲/疏水性表面修饰；4）双高速摄像机同步捕捉水面-气泡动力学过程。

【Characteristics of the five jet modes】

实验观察到五种射流模式：Tiered Jet（分层射流）在t=T₁时形成主射流上叠加的微细射流；Jet Cavity（射流空腔）在空腔底部产生流速达10.8m/s的高速射流；Cavity Venting（空腔泄压）形成气泡-大气通道；Sealed/Open Cavity（封闭/开放空腔）则取决于空腔边缘闭合动力学。

【Governing parameters of jet modes】

研究提出两个关键无量纲参数：浸没时间t_c=s/(vτ)反映颗粒浸没效率（s为未浸没弧长），气泡深度?=h/R_m决定空腔膨胀速度V_c≈4.35(?-?(?³-1))V_b。当t_c<0.24时产生单射流，反之形成复杂空腔结构。

【Discussion】

该研究突破了经典流体动力学对理想水面的假设，证明：1）表面颗粒通过能量聚焦效应将射流形成阈值降低10倍；2）Weber数We*=ρ_aV_a²r/σ主导空腔闭合过程（10³-10⁵量级）；3）接触角θ通过影响润湿失效临界速度U决定射流模式选择。这些发现为海洋微塑料扩散预测、医用雾化器优化等应用提供了理论指导。