液滴的凝并是生產(chǎn)生活中一種常見的現(xiàn)象，例如雨滴在下落過程中因碰撞而合并、油滴在水中自發(fā)聚集以及清晨葉片上露珠的形成等。在工業(yè)領域，液滴凝并同樣具有重要的應用價值。

例如，在石油工業(yè)中，原油乳化液的破乳過程依賴于油滴或水滴的凝并，以實現(xiàn)油水分離；在食品和制藥行業(yè)，噴霧干燥工藝中液滴的凝并行為直接影響最終產(chǎn)品的粒徑分布和質量。乳液中液滴的凝并過程包括分散相液滴與體相之間連續(xù)薄膜的排液及其最終破裂。薄膜破裂后，液滴之間形成液橋并迅速擴展。因此，液滴凝并動力學也通常由液橋生長動力學來描述。相關領域的早期研究主要集中在體相流體中不混溶的液滴之間的凝并，而聲懸浮作為一種無容器技術，可以非接觸地操縱液滴的凝并，觸發(fā)液滴之間的反應、實現(xiàn)細胞融合，為液滴凝并研究開辟了新的道路，對微流體操縱具有一定的借鑒價值。

西北工業(yè)大學臧渡洋教授團隊研究了聲懸浮條件下液滴的凝并過程，發(fā)現(xiàn)了液橋生長動力學顯示出各向異性的特征。相關研究成果以“Version-Anisotropic growth dynamics of liquid bridge during droplet coalescence under acoustic levitation”為題發(fā)表于Physical Review Fluids.

該工作系統(tǒng)研究了聲懸浮條件下凝并過程中液橋尺度隨時間演化的標度率關系。發(fā)現(xiàn)液橋的生長仍然遵循，標度率的指數(shù)項數(shù)值對聲場強度不敏感，這表明液橋的生長主要由慣性力控制。然而，標度前因子會隨著液橋的縱橫比變化，其明顯受到聲場強度和液滴表面張力的共同影響。對聲輻射壓力分布進行模擬顯示，在液橋表面上存在不均勻的受力模式：極點處的壓力為正，而赤道處的壓力為負，這導致液橋在更大的縱橫比下發(fā)生變形。

引入了無量綱數(shù)：Acoustic-capillary dynamics Number ()，量化Laplace壓與聲輻射壓對液橋生長過程中的作用對比。在早期階段，液橋較小的水平曲率半徑產(chǎn)生了更高的Laplace壓，成為液橋生長的主要驅動力，并促進了液橋橫向擴展；而較大的垂直曲率半徑限制了垂直方向的生長。這表明，盡管聲輻射壓力并不是液橋生長的直接驅動力，但其可能通過改變液橋頸部的曲率間接影響液橋的生長，從而影響Laplace壓分布并加強生長各向異性。

這種對聲場條件下液橋生長動力學各向異性的新理解，表明通過調節(jié)聲場可以控制凝并液滴的形狀和液橋生長行為，為生物、化學和材料等領域的非接觸操作和液滴混合研究提供了新的思路。

圖1:聲懸浮作用下凝并過程中液滴的形態(tài)演化。(a)和(c)分別是水滴凝并過程的側視圖和底視圖；(b)和(d)分別為0.2CMC SDS溶液液滴凝并過程的側面和底部視圖。

圖2:不同聲壓級下水滴凝并過程中液橋的橫向生長動力學。(a)凝并過程中液體橋寬度隨時間的演化；(b)歸一化后液體橋寬度隨時間的演變。

圖3:K= 0.3，SPL = 162.5 dB 時凝并水滴表面的聲輻射壓力分布。(a) 液橋表面聲壓分布的側視圖。(b) 聲壓分布的底視圖。(c) 沿橋梁縱斷面的壓力大小和方向示意圖，箭頭長度表示壓力大小。(d) 不同系數(shù)K下橋面上壓力的空間分布。

圖4: (a) 拉普拉斯壓力差 Δ（垂直方向）和 Δ（水平方向）隨縱橫比的變化。插圖說明了曲率半徑和 的定義。(b) 北極和赤道的聲輻射壓力 () 作為 的函數(shù)。(c) 聲毛細管動力學數(shù) 和 分別表示在不同下垂直方向和水平方向拉普拉斯壓力對聲輻射壓力的

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https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.10.013603