[论文解读] Flow-induced breakup of drops and bubbles

Suhas Jain S|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2017

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 70被引用 4

一句话总结

本文综述了液滴和气泡在流动作用下破裂的物理机制，将破裂机理分类为粘性、惯性和湍流三种 regime。文章识别出关键参数，如临界直径、破裂时间及形变阈值，并提出了一个完整的多相流破裂建模框架，采用无量纲数（如韦伯数和毛细数）进行表征。

ABSTRACT

Breakup of drop/bubble can be viewed as a result of fundamental force balance when the disruptive force is greater than the restorative force. A disruptive force acting on the drop/bubble tries to deform it, whereas a restorative force refrains it from deforming. Studying breakup and coalescence phenomenon is utmost important since it governs the amount of interfacial area and hence the exchange of heat, mass and momentum across the interface. It also helps in the development of better closure relations for modeling large scale systems. In this paper, abundant literature consisting of theoretical, experimental and numerical works up to date is reviewed. Broadly, breakup is classified into viscous, inertial and complex turbulent breakup. Physics involved and non-dimensional numbers governing the drop and bubble breakup in various flow configurations are discussed. Characteristic parameters of the breakup such as critical diameter ($d_{max}$), maximum deformation, breakup time ($t_b$), wavelength of disturbance ($λ$), impurities in the flow, initial shape of the drop/bubble, history of the flow and critical values of non-dimensional numbers are examined and the important parameters are listed for ready-to-use in modeling approaches. Finally, scope for future work in number of areas is identified.

研究动机与目标

• 系统化地理解液滴与气泡破裂的机理，以改进分散相多相流的建模。
• 识别并整理控制破裂过程的关键参数，包括临界直径、破裂时间及最大形变。
• 基于流动状态（粘性、惯性、湍流）及其对应的无量纲数，对破裂机理进行分类。
• 通过分离破裂与聚并效应，为欧拉两相流 CFD 模拟中开发可靠的输运闭合模型奠定基础。
• 指出现有理解中的空白，特别是具有浮力作用的湍流中，提出未来研究方向。

提出的方法

• 对截至 2017 年的理论、实验与数值研究中关于液滴与气泡破裂的系统性综述。
• 根据主导作用力对破裂机理进行分类：低雷诺数下的粘性剪切力（低 Re）、高雷诺数下的惯性力，以及湍流涡旋的相互作用。
• 分析无量纲数（韦伯数、毛细数、欧姆松数、埃托沃斯数、邦德数、莫顿数）以表征破裂阈值。
• 考察关键参数：临界直径 $d_{\text{max}}$、破裂时间 $t_b$、最大形变、扰动波长 $\lambda$，以及杂质的影响。
• 采用非定常形状因子（USF）模型，解释湍流中相互作用时间较短时的破裂动力学。
• 对比均匀湍流与浮力驱动流中破裂行为的差异，识别在振荡衰减与破裂机理方面的异同。

实验结果

研究问题

• RQ1 在粘性、惯性和湍流流动状态下，主导液滴与气泡破裂的物理机制是什么？
• RQ2 韦伯数与毛细数等无量纲数如何在不同流动条件下预测破裂的起始？
• RQ3 流动历史（尤其是湍流中）在决定破裂时间与形变动力学方面起什么作用？
• RQ4 与均匀湍流相比，浮力如何改变颗粒在湍流中的形变与破裂行为？
• RQ5 定义破裂起始的关键形变、直径与时间值是多少？它们如何随流动参数变化？

主要发现

• 在低雷诺数流动中，破裂由粘性剪切应力主导，破裂行为取决于毛细数、粘度比及杂质浓度。
• 在高雷诺数流动中，惯性力占主导，破裂主要受韦伯数与欧姆松数控制。
• 在湍流中，破裂由与单个湍流涡旋的相互作用引起，当相互作用时间 $t_i \ll 1/f_2$ 时，破裂时间 $t_b$ 与第二模态本征频率 $f_2$ 成反比。
• 在浮力作用的湍流中，导致破裂的临界形变与均匀湍流中观测到的值一致，表明具有相似的阈值行为。
• 形状振荡的衰减时间尺度与固有频率 $f_2$ 相当，未发现随机共振现象，表明单个涡旋相互作用主导破裂过程。
• 在湍流气泡柱中，破裂时刻的瞬时韦伯数通常约为 10，表明存在一个特征能量阈值以实现破裂。