学术报告：湍流中气泡与液滴的变形与破碎研究综述

本文档属于类型b，是一篇由Rui Ni（约翰霍普金斯大学机械工程系）撰写的综述文章，发表于Annual Review of Fluid Mechanics（2024年1月）。文章系统总结了湍流中气泡与液滴的变形、破碎及其对动量、热量和质量传递的影响，梳理了多个学科领域的研究成果，并指出了Kolmogorov-Hinze（KH）框架的适用性与局限性。

1. 研究背景与主题

本文的核心科学领域是湍流多相流（turbulent multiphase flow），重点关注气泡与液滴在湍流中的动力学行为。研究背景源于工业应用（如食品、制药、海洋工程）中界面面积调控的需求，以及基础科学中对湍流-界面相互作用机制的探索。文章旨在回答以下问题：
- 湍流如何驱动气泡与液滴的变形与破碎？
- 不同参数（如韦伯数We、奥内佐格数Oh、毛细数Ca）如何影响破碎过程？
- 变形与破碎如何调制湍流、减阻及传热传质？

2. 主要观点与论据

（1）KH框架的适用性与局限性

Kolmogorov（1949）和Hinze（1955）提出的KH框架认为，惯性力与表面张力的比值（韦伯数We）是决定气泡/液滴破碎的关键参数，并预测了临界韦伯数（We_c）的存在。然而，该框架基于以下假设：
- 湍流是均匀且各向同性的（homogeneous and isotropic turbulence）；
- 忽略浮力与密度比的影响；
- 破碎由尺度与气泡/液滴直径相当的涡旋驱动。
局限性：实验发现，实际湍流常伴随大尺度剪切（如边界层）或浮力效应（如气泡上升），导致KH框架在非均匀湍流中失效。例如，Risso & Fabre（1998）在微重力实验中测得We_c≈4.5，而Sevik & Park（1973）在地球重力下发现浮力可显著降低We_c至1.3。

（2）不同破碎机制的分类

文章将破碎分为两类主导机制：
- 惯性主导区（d≫η，η为Kolmogorov尺度）：韦伯数We_t（基于湍流脉动速度）或We_s（基于剪切）起主导作用。实验显示，强湍流（We_t≫1）下气泡呈哑铃形变形，而浮力主导时（We_t - 粘性主导区（d≪η）：毛细数Ca（Ca=μ_c√(εd)/σ）成为关键参数。例如，Boxall等（2012）通过增加连续相粘度μ_c，验证了临界毛细数Ca_c的存在，并发现液滴尺寸d∝μ_c^(-¹⁄₂)。

（3）破碎频率的建模挑战

破碎频率（breakup frequency）的预测需考虑多种时间尺度：
- 涡旋翻转时间（eddy turnover time, τ_e=ε^(-¹⁄₃)d^(²⁄₃)）；
- 自然振荡频率（f_2=√(96σ/ρ_c d^3)）；
- 粘性阻尼时间（τ_ν=μ_d d/σ）。
实验数据（如Martínez-Bazán等1999）显示，高We_t时破碎频率趋于饱和，但Vejražka等（2018）发现剪切湍流中频率持续上升。新模型（如Qi等2022）提出，小尺度涡旋通过局部剧烈变形加速破碎，而非KH假设的共振机制。

（4）变形对多相传递的调制

• 减阻效应：可变形气泡在湍流边界层中通过抑制流向涡（streamwise vortices）降低壁面摩擦。例如，Van Gils等（2013）在Taylor-Couette流中发现，We>1时减阻率可达40%，而添加表面活性剂（抑制变形）会削弱此效应。
  
• 传热传质增强：界面变形增大了有效面积，但局部曲率与温度/浓度梯度的耦合机制尚不明确。例如，Dodd等（2021）的DNS模拟表明，高We数下蒸发速率随界面曲率升高而增加。
  

3. 研究意义与价值

本文的学术价值体现在：
1. 跨学科整合：汇总了化工、海洋工程、食品科学等领域的数据，揭示了不同尺度下破碎机制的普适性与特殊性。
2. 方法论创新：介绍了同步测量三维湍流与气泡形状的实验技术（如Masuk等2019的多相机重建），以及考虑间歇性（intermittency）的破碎概率模型。
3. 工业应用指导：为乳化、减阻设计、纳米颗粒制备等提供了参数化理论框架。

4. 亮点与未来方向

• 重要发现：
  
  • 破碎由多尺度涡旋协同驱动，而非单一KH假设的“共振”机制；
    
  • 粘性效应通过Oh数（Oh=μ_d/√(ρ_d σd)）显著影响纳米乳液（nanoemulsions）的稳定性。
    
• 未来挑战：
  
  • 非均匀湍流中剪切与湍流的协同效应；
    
  • 密度比、雷诺数及添加剂（如盐、表面活性剂）的定量影响；
    
  • 气泡/液滴在变强度湍流中的历史效应（residence time）。
    

本文为湍流多相流研究提供了系统参考，并强调了从基础理论到工程应用的桥梁作用。