Kabarcıkların grup dansı

Zhejiang Üniversitesi Devlet Petrol ve Mekatronik Sistem Laboratuvar Laboratuvarında (Hangzhou, Çin) bulunan bir grup araştırmacı, geçtiğimiz günlerde fizik alanında yeni kabarcıklanma mekanizmasının var olduğunu keşfetti.

Mikrokanallarda su altındaki gaz-sıvı püskürtülerek kabarcıklanma fenomenini incelerken bu şaşırtıcı bulguyu yaptınız. Bu fenomen, geliştirdikleri daldırma litografi makinasında meydana geldi ve maruz kalma kalitesini düşüren titremelere neden oldu.

Grup , AIP Publishing'den bu hafta Fizik Akışları dergisinde bu kabarcıklanmanın tek fazlı gaz üfleme mekanizması tarafından üretilen kabarcıklanma ile karşılaştırıldığında benzersiz özelliklere sahip olduğunu fark ettiler. Periyodik ve aperiodik kabarcıklanma özellik değişikliklerini ve daha önce gözlemlenmeyen ve bildirilmemiş olan özel bifürkasyon ve rotasyon fenomenlerini tanımlarlar.

"Yeni bir tür kabarcıklanma mekanizmasının var olabileceğini fark ettik çünkü uğraştığımız ağızlıktan gelen kabarcık ayrılması, yalnızca kaldırma kabiliyetinin" kaldırma etkisi "ile değil, daha da önemlisi, aşağıdaki sıvının" itme etkisi "tarafından sürüldü Slug, nozula ulaştı, "diyor Liang Hu, Devlet Key Lab'da çalışan yardımcı doçent.

Bu daldırma litografi makinesinde bulunan titreşim özelliklerini açıklar ve ayrıca kütle veya ısı transferi arttırma ve kabarcık hareketi kontrolü gibi fizikteki diğer alanlara da etkileri olabileceğini açıklar.

Bilim adamları, kabarcıkların püskürtücülerden ayrılıp sıvıların içinde yükselişe neden olduğunu belirlemeye çalışan bilim insanları yıllarca "kabarcıkları" keşfediyorlardı, keşif önemli bir gelişme işaret ediyor.

Hu, "Normal anlamda kabarcıklar, teker teker zincir halinde dikey olarak yükselir ve ağızlıktan birer birer ayıklanır" dedi. "Yeni köpürme türü üzerine yaptığımız çalışma, yepyeni bir kabarcık ayrılması mekanizması ortaya çıkardı - kabarcıkların iki farklı zincir boyunca yükseldiği şaşırtıcı bir durum keşfettik."

Grubun çalışması için, periyodik kabarcıklanma kanaldaki Taylor akışıyla oluşturuldu - suya enjekte edilerek eşit uzunlukta sıvı salyangozlarla ayrılmış eşit uzunlukta gaz kabarcıklarını içeren "sümüklü salyangoz" içermektedir.

Hu, "Bu durumda kabarcık ayrılması öncelikle yüzdürme yoluyla sağlanmadı" dedi. "Bunun yerine, bir sıvı sulu memeye geldiğinde ve kabarcığı memeye bağlayan gaz-sıvı-katı üç fazlı temas hattındaki kılcal eylemi yok ettiğinde, her kabarcık ayrılmaya zorlandı."

Betimsel olarak, kabarcık ayrılışı "sıvı sümükbaz tarafından kabarcıkları nozülden uzaklaştırarak" neden oldu, "dedi Hu. "Temas açısı farkı kabarcık ayırma işlemini bir taraftan diğerine, örn. Soldan sağa dönüştürerek kabarcık tabanının sol üstten sağa doğru eğilmesi sonucunu doğurdu, ardından ardışık kabarcık bu kabarcık ile etkileşim kurdu. Eğimli tabanı kaldırdı ve sağ üst köşeye doğru itmeye itti. "

Ayrıca, bu eylem sağdan sola ayrılan ve sonuç olarak bir sonraki kabarcıkla etkileşime girdikten sonra sola doğru artan ardışık baloncukta ters bir temas açısı farkına neden oldu.

"Sonuç olarak, tek tek kabarcıklar dikey olarak yükselmedi, daha önce kabarcık bıçaklanması olarak bilinen daha önceki kabarcıklarına göre farklı bir oryantasyona doğru yükseldi" dedi Hu.

Diğer bir deyişle, "[Temas açısı farkı] bir kabarcığa sürekli kabarcık etkileşimi yoluyla ardışık kabarcık geçirildi, bu kabarcıklar momentumun korunmasına kendiliğinden ve istikrarlı bir şekilde iki kol daldırdı" dedi. Giriş koşulları değişmediği sürece, çifte kıvrılabilen kabarcık dalları çifti, hızla yükselen kabarcıkları sürekli olarak iletir ve dallar eşzamanlı olarak döndüğünde bile aynı bifürkasyon açısını korur, güzel ve hassas balon grubu dansı gibi görünür "dedi.

Tahmin edebileceğiniz gibi, grubun çalışmaları çok kapsamlı uygulamalara sahip. Batık jöklerde kabarcık oluşumu, ısı değiştiriciler, suni havalandırma ve pnömatik çelik imalatı gibi endüstriyel uygulamalarda çokça kullanılır.

Hu, gruptaki daldırma litografi makinesinde kabarcıklanma maruz kalma kalitesini düşüren önemli bir titreşim kaynağı olduğu için "daha kolay aktif titreşim izolasyonu için periyodik rejime kabarcıkları sınırlandırmaya çalışacaklar" dedi.

Başka bir uygulama olan gaz-sıvı karışımlarını enjekte etmek, küçük kabarcıkları üreterek ısı ve kütle transferini iyileştirmek için kullanılmıştır ve gözenekli ortam ile gaz üflemeye alternatif bir yöntem olarak düşünülmüştür.

"Fakat çoğu araştırmacı, yoğun kabarcıklı jetler üretmek için bir makrotube kullanmayı tercih ediyor," dedi Hu. "Dolayısıyla, bunları periyodik kabarcık üreten bir grup mikro tüple değiştirmenin, çok sayıda kabarcık elde etmek için daha iyi bir seçim olabileceğine inanıyoruz, sadece küçük değil, aynı zamanda boyutu kontrol edilebilir."

Hu'ya göre, kabarcık hareket kontrolünün, başka bir uygulamayla birlikte, kabarcık kolonların transfer özelliklerinin geliştirilmesinin yanı sıra yeni malzemeler imal etmek için de gerekli olduğunu söyledi.

Hu, "Kabarcık boyutu ve bifürkasyon açısının hassas kontrolünü aynı anda gerçekleştirerek kabarcık hareket kontrolü için yeni bir yaklaşım sağlayabiliriz" dedi. "Bu, günümüzün yaygın olarak kullanılan harici manyetik veya akustik alanlara göre orijinal köpürme dinamiklerini doğrudan kontrol etmek için daha verimli ve güvenilir bir yöntem olabilir" dedi.

"Kabarcık çatallanma olgusunun güzelliği ve karmaşıklığı, özellikle gelecekteki çalışmaların üç yönü için büyüleyici" diye ekliyor Grubun grubun bir sonraki aşamada çalışmayı umduğunu söylediğinde. "Birincisi, daha geniş bir bifurkasyon açıları elde etmek için: iki kabarcık dalın serbestçe sallanan bir çift gibi hareket ettiklerini hayal edin, ikincisi, mikro kabarcıklarla bifürkasyon işlemini yerine getirmek için ve üçüncü olarak, bazen gözlemlenen ancak anlaşılmayan kabarcıklar bir arada ikiye ayrılabilir Daha büyük kabarcıkların dalları ve daha küçük kabarcıkların bir dalı ... Her şeyi araştıracağız "dedi.

Kaynak:

Amerikan Fizik Enstitüsü (AIP)