湍流油水乳液中界面粒子捕获的润湿性诱导不对称性

《Journal of Fluid Mechanics》：Wettability-induced asymmetry in interfacial particle trapping in turbulent oil–water emulsions

　　

研究人员采用界面解析数值模拟，综合考虑湍流、界面变形及粒子–界面相互作用，考察了亲水、中性润湿与亲油粒子在湍流油水乳液中由油滴实现的界面捕获行为。油水界面由相场法（phase-field method）描述，粒子运动通过拉格朗日（Lagrangian）方法求解，并计入界面粘附与润湿性效应，从而直接模拟湍流条件下非对称粒子捕获过程。结果表明，相对于中性润湿，捕获效率呈现显著不对称性，亲油粒子捕获效率最高。该不对称性源于润湿性控制的捕获粒子平衡构型：亲油粒子优先驻留于油水界面油滴一侧，此处湍流应力明显更弱，因而脱离率降低，捕获效率高于中性润湿与亲水粒子。最后，研究人员提出一个最小一阶动力学模型，其速率系数由模拟提取，可准确预测随粒子润湿性变化的捕获效率。

研究背景方面，含固相粒子的油水乳液广泛见于提高石油采收率、油砂处理、食品化妆品配方、微塑料分离及矿物提取等工业过程。静止流体界面的粒子捕获机制已较清楚，但在湍流条件下，尤其当界面同时发生变形、破碎与聚并时，粒子与界面的相互作用仍缺乏定量刻画。多相湍流的复杂性在于液滴不断破碎聚并，粒子在流体涨落下反复附着与脱离，机理交织难解。全解析模拟因跨尺度巨大而计算不可行，故需发展既能保留物理本质又可控计算成本的模型。在此背景下，研究人员开展本研究，旨在隔离粒子润湿性这一单一变量，揭示其对湍流油水界面捕获动力学的决定作用，论文发表于《Journal of Fluid Mechanics》。

关键技术方法上，研究人员采用通道流（channel flow）配置下的界面解析直接数值模拟（DNS），流体相用单流体模型求解不可压纳维–斯托克斯（Navier–Stokes）方程，油水界面用相场法（phase-field method，序参量?在载液取?1、油滴内取+1）捕捉，Cahn–Hilliard方程控制界面演化；亚 Kolmogorov 尺度固体球粒子用点粒子（point-particle）拉格朗日框架描述，受力含 Stokes 拖曳（修正有限粒子雷诺数）、毛细粘附力F_A与润湿性力F_H=πk_H??，后者符号决定亲水（k_H⁺<0）/中性（k_H⁺=0）/亲油（k_H⁺>0）。模拟基于 GPU 加速开源求解器 FLOW36，在 Re_τ=300、We=3.0、Ch=0.02、Pe_?=50、St⁺=0.6、ρ_p/ρ=10、d⁺=1.04、A=0.1 下，先稳态单相湍流，注入 256 个初始直径 0.4h 油滴至分散相体积分数 5.4%，待液滴统计稳态后再分别注入 5×10⁵ 个三种润湿性粒子，收集一阶耦合下的统计。

研究结果部分，引言指出界面解析与点粒子耦合可在可接受成本下保留湍流多相流本质并支持大粒子群。控制方程小节给出相场变量演化（式2.1 Cahn–Hilliard）、流体动量（式2.2–2.3 含 Korteweg 应力张量 τ_c 表征表面张力）、粒子方程（式2.4–2.5 拖曳力，式2.6–2.7 粘附力基于符号距离 D，式2.8–2.9 润湿性力与势能阱 U⁺(?_p) 竞争决定平衡位形：亲油粒子平衡位置移向 ?>0 油滴侧，亲水移向 ?<0 载液侧，中性位于 ?=0）。模拟小节确认三组对照仅 k_H⁺ 为 ?1720/0/+1720，其余参数锁死。结果小节显示稳态下亲油粒子界面捕获效率最高、亲水最低；近界面放大表明亲水粒子偏聚载液侧、亲油偏聚油滴侧，因油滴侧湍流应力较弱使脱离率下降；研究人员据此建立附着–脱离一阶动力学平衡，速率系数由模拟提取，模型准确预测捕获效率随润湿性单调偏倚亲油侧的不对称曲线。

讨论与结论翻译总结：研究人员证明在固定湍流通道流中，粒子润湿性通过决定捕获平衡位形（亲油粒子驻留低应力油滴侧）引入捕获效率相对于中性润湿的显著不对称性，亲油粒子效率最大、亲水最小；该机制由界面粘附与润湿性势能竞争主导，与湍流涨落下的反复附着脱离动力学耦合。所提一阶动力学模型以模拟提取的速率系数准确重现效率–润湿性关系，可为 Pickering 乳液调控、微塑料分离及矿物浮选等工程问题提供基于润湿性设计的预测工具。