液滴撞击过程中气腔演化机制研究获进展

固液界面相互作用涉及多尺度界面现象和流动过程。液滴撞击固体表面时会沿中心轴形成圆柱形气腔，并在液滴下方捕获空气薄膜。传统观点认为该气膜在液滴撞击结果中起关键作用。

近期，中国科学院青海盐湖研究所等研究团队在气液界面演化的实验研究中取得进展。团队结合传统高速摄像技术和上海光源快速X射线成像线站（BL16U2）的X射线成像技术，系统研究了液滴撞击超疏水纳米多孔表面过程中气腔的演化行为。研究在韦伯数约为2—5的狭窄范围内，首次同时观察到气腔的两种演化路径：一种演变为液滴内部的体相气泡，另一种发展为液滴下方的环形气垫。

研究团队识别了三种气腔夹断机制：惯性主导的轴向内爆、毛细波驱动的颈缩以及两者的混合机制。研究发现，液膜的稳定性是决定气腔演化路径的关键因素。若液膜未破裂，气腔在惯性作用下内爆形成体相气泡；若液膜在亚毫秒内破裂，则触发毛细波驱动的颈缩，使气腔与下方气膜融合，最终形成环形气垫。该临界时间尺度约为0.5毫秒，与惯性—毛细时间尺度相符。

该研究揭示了气腔的两种演化路径与三种夹断机制，建立了液膜稳定性与气腔演化之间的机制联系，量化了液膜寿命与惯性—毛细时间的关联。研究结果深化了对液滴撞击过程中气腔塌陷、空气捕获、射流形成及气泡输运等基础物理过程的理解。控制气泡的生成与输运，对研究钾盐浮选过程中的界面碰撞行为与传质过程具有重要参考价值。

相关研究成果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委员会及德国研究基金会等的支持。

论文链接

液滴中气腔的两种演化过程与三种夹断机制