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麻省理工学院的工程师揭示了飞溅水滴的错综复杂

一根液滴飞溅到一根非常细的杆的顶端,产生一个流体边缘,当它膨胀时喷射出较小的液滴。由于一个雨滴掉落到地面,它可以溅回一个冠状的薄片,从它的边缘喷射出较小的液滴,然后再回到地面 - 一切都在眨眼之间麻省理工学院的研究人员已经找到了一种跟踪液滴边缘厚度的方法,因为它从各种表面溅起来这种极其特殊的测量,他们说,预测可以从边缘喷射到空气中的较小液滴的数量,大小和速度是至关重要的Lydia Bourouiba,民用和环境工程助理教授,麻省理工学院疾病传播实验室流体动力学主任该组织的结果可以用来模拟喷雾的物理特性,例如从农作物叶子上飞溅回来的杀虫剂,或者当它们从被污染的su反弹时可能捡起并传播疾病的雨滴“我们的基础研究旨在了解喷雾物理学,并确定控制喷雾的关键成分,无论是想要减少不希望的二次液滴,还是改善喷雾均匀涂覆表面,”Bourouiba说“要做到这一切,一个需要知道流体是如何分解的“Bourouiba和她的学生在”物理评论快报“上发表了他们的研究成果她的合着者是研究生Yongji Wang,Raj Dandekar,Nicole Bustos和Stephane Poulain团队的新模型可以预测一滴液滴适用于各种场景的不断变化的边缘,包括经典的冠状飞溅推动前进几年来,Bourouiba的团队一直在开发图像分析算法,以自动提取和测量流体分裂过程的高速视频中的某些特征状态 - 最先进的高速摄像机可以在大多数情况下以慢动作捕捉飞溅液滴的演变 - 一个过程ss需要大约几毫秒,在此期间,数千个较小的液滴可以喷射到空气中科学家们使用这些高速视频来测量喷射液滴的大小,膨胀边缘的厚度以及其他飞溅特征手工“由于所有这些功能在短时间内不断变化,因此在数据中提取高精度,无偏差的测量非常棘手,”Bourouiba说“经典算法无法捕捉所有这些细节”相比之下,她的团队算法可以自动识别飞溅的液滴边缘,并将其与从边缘喷出的较小液滴以及在边缘周围形成的韧带区分开来。一旦算法处理了图像数据,研究人员就可以清楚地将边缘与其余部分分开。在飞溅过程中的任何瞬间,液滴的特征,并提取其大小。测量液滴的边缘可以让科学家了解它在飞溅在叶子等表面上时,单个液滴如何产生喷雾该团队设置了多个实验,以确定它们是否能够检测到液滴边缘随着飞溅到表面上而发展的常见趋势研究人员测试了大约15种液体不同粘度和粘弹性,或拉丝性它们从高精度“滴塔”中释放出每滴液体的一滴,这种设置可以非常精确地操纵释放的液滴大小,下方表面的方向以及照明条件使用高速相机记录液滴的工作团队将每个液滴释放到不同的表面上,包括水池,表面边缘,不同粗糙度的表面,涂有薄液膜的表面,以及可比较的小表面大小与水滴相当,即棒材麻省理工学院的研究小组将水滴释放到各种表面上,包括在一根非常细的杆上,并捕获水滴和液体在一次飞溅过程中飞出边缘的事件在他们微调算法以自动分析每个液滴视频后,他们开始注意到液滴边缘随着时间的推移而演变的模式边缘通常不平滑,但显示出涟漪和凸起研究人员表明,沿着轮辋瞬间产生的这些涟漪与加速度无关,而主要取决于轮辋的几何形状。 然而,轮辋的厚度与轮辋膨胀到空气时的加速度有关。轮辋加速度越大,轮辋越薄,随着膨胀,飞行时飞溅的速度越快。换句话说,就是轮辋的加速度这决定了轮辋中剩余多少液体以及多少液体从轮辋中推出到空气中,最终以液滴的形式出现“就像当一辆车突然减速时,”Bourouiba说道:“减速汽车的参考框架引入了推动前进的虚拟力量它与整个板材减速时的流体体积感觉相同“研究人员的一个关键见解是加速度随时间的变化很重要如果波纹增长超过其邻居变成一个凸起,瞬间减速的瞬间虚拟力最终比其邻居更向前推动它,导致它的伸长和最终分离液滴的形式建立一个键从他们的实验观察中,团队设计了一个简单的方程来预测液滴边缘的厚度,给定其加速度,沿着边缘的任何点以及在飞溅过程中的任何时刻。方程基于所谓的邦德数 - 一个通常用于比较重力与惯性力的无量纲数“如果这个数字非常大,则重力占主导地位,例如因为重力将其拉下而会变平的大水坑” Bourouiba说:“对于一个微小的下降,它不是平坦的,而是球形的,因为表面张力占主导地位如果债券数量等于1,则两个力量处于平衡状态”随着他们的新方程,研究人员将重力换成轮辋瞬时加速度,并使用计算键数的公式 - 基本上是轮辋加速度引起的力与表面张力之间的比率 - 在每个时刻T沿其轮辋的任何点如果粘合剂数量越高,沿着边缘的给定点处的加速度越大,位置越容易破碎并将更小的液滴释放到空气中。粘合剂数量越小,表面张力越大,其作用就越大轮辋完好无损团队发现,对于不稳定的轮辋,其定义的邦德数始终等于1,导致轮辋厚度的理论模型非常简化,尽管该过程的复杂性随时间变化该团队发现该理论在各种粘度范围内都有用,包括像水一样薄的液体,以及像血浆或牛奶一样厚的液体。它还可以预测当液滴溅到各种不同几何形状的表面上时,边缘是如何演变的。该理论不仅在[表面]构型中具有普遍性,而且可以继续用于工业和生物流体的大家族,例如,“Bourouiba说,以前,科学家只有ab le设计一种理论来预测轮辋在“稳定”结构中的厚度,例如以恒定速率从水龙头流出的连续水流这种情况被认为是稳定的,因为它会产生一片水溅起来从表面开始,具有不会随时间变化的轮辋尺寸和其他性质“但是,滴水,雨滴,去污或杀虫剂喷洒或其他碎片过程(如打喷嚏)的所有影响实际上都是不稳定的,这是在以前的工作中没有解决的问题,“Bourouiba说”我们发现这个新理论适用于一系列不稳定的问题“”发出的微小液滴可以远离发生撞击的地方运输,例如,病原体或其他类型的生物或分子,“西班牙塞维利亚大学流体力学教授Jose Manuel Gordillo说道。”我相信这些发现不仅有助于对自然过程中轮辋不稳定碎裂的基本理解,以及与印刷相关的应用“这项研究部分得到了美国农业部 - 国家食品和农业研究所特殊作物研究计划拨款奖的支持出版物:Y Wang等,“Universal Stim Thickness in Unsteady Sheet Fragmentation,”Phys Rev Lett,2018; DOI:

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