[论文解读] Nonspherical armoured bubble vibration

Gaurav Prabhudesai, Ilyesse Bihi+3 more|LillOA (Université de Lille (University Of Lille))|Jan 19, 2017

Particle Dynamics in Fluid Flows参考文献 2被引用 374

一句话总结

本文实验证明，在垂直振动下，圆柱形装甲气泡会分阶段过渡为球形，从而释放表面附着的粒子；该转变与频率有关，在非球形状态下呈现准稳态。文章解释了能量考量，并显示在非球形状态下粒子扩散更省功，尤其接近共振。

ABSTRACT

In this paper, we study the dynamics of cylindrical armoured bubbles excited by mechanical vibrations. A step by step transition from cylindrical to spherical shape is reported as the intensity of the vibration is increased, leading to a reduction of the bubble surface and a dissemination of the excess particles. We demonstrate through energy balance that nonspherical armoured bubbles constitute a metastable state. The vibration instills the activation energy necessary for the bubble to return to its least energetic stable state: a spherical armoured bubble. At this point, particle desorption can only be achieved through higher amplitude of excitation required to overcome capillary retention forces. Nonspherical armoured bubbles open perspectives for tailored localized particle dissemination with limited excitation power.

研究动机与目标

• 研究圆柱形装甲气泡如何响应垂直机械振动。
• 随振幅增大，表征从圆柱形到球形的形状演化。
• 理解振动如何促使粒子从气泡表面脱附。
• 基于能量的解释，阐明准稳态非球形状态及向球形转变的机理。

提出的方法

• 通过毛细管法制备具有定制半径和长度的圆柱形装甲气泡。
• 用垂直振动激励器激励气泡并测量振幅和频率。
• 用高分辨成像记录气泡形状演化，并用圆度描述符Ro进行量化。
• 分析Ro在不同频率下随激励振幅的变化。
• 利用能量平衡论证比较球形与非球形构型的界面能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在增大振幅和改变频率时，装甲气泡的形状如何演变？
• RQ2 非球形装甲气泡是否为准稳态，其向球形状态转变的能量机制是什么？
• RQ3 在何种条件下粒子从装甲气泡上脱附，这些条件在非球形与球形之间有何差异？
• RQ4 激励频率如何影响形状转变与粒子释放的阈值振幅？
• RQ5 较小气泡和粒子是否会如标度分析所预测，改变粒子扩散所需的能量？

主要发现

• 随着振幅增加，非球形装甲气泡会分阶段过渡为球形，从而降低表面积并释放粒子。
• 转变的临界振幅强烈依赖激励频率，且在Minnaert共振附近最低。
• 非球形气泡是准稳态的，因为转化为球形会降低界面能，但转变需要振动与动能释放来促使。
• 球形气泡的粒子脱附需要克服毛细保持力，若要实现大规模释放需更高的激励功率。
• 简单的能量平衡将迁移能量ΔE与表面能联系起来，解释了稳定性与脱附行为；标度分析表明较小的气泡/粒子需要更高的相对振荡振幅来实现释放。