论文

菜鸡的草稿

引言

金属泡沫中气泡的卡阻（trapping）。
卡阻的产生： 贾敏效应常被用于解释气泡卡阻的发生。但是这缺乏定量的分析和预测。
卡阻的结果：
卡阻的研究方法：
本文工作：使用简化的二维金属泡沫模型，对其中的气泡卡阻现象进行了可视化实验研究。归纳了卡阻出现的几何条件，观察到pore scale的气泡卡阻对macro scale的气液两相流动pattern的影响。使用基于lubrication theory的模型对两种pattern的切换进行了解释。

实验

• 样品：使用三种二维阵列模拟金属泡沫，分别是两种不同尺寸的方柱阵列和孔网络阵列。使用酒精和空气作为工质。
• 方法：以不同流速（毛细数）向浸没酒精的样品中注入空气。样品竖直放置，气体从下方注入，因此重力不可忽略。
• 外设：注射泵，光源，高速相机，计算机等。

结果与讨论

• 方柱阵列

  • 气体注入后在样品中形成气泡，气泡以离散形式通过多孔介质模型向上离开样品。结构对于气泡的束缚作用明显，气泡被拉长成延续若干个方柱的长气泡。但是气泡与气泡直接并未练成一个连同的气体区域，像很多文献中那样。这可能是因为较长的气泡上部受到浮力，浮力超过注入处的表面张力因为被截断。
  • 不同毛细数下气泡均沿单一路径竖直上升穿过多孔介质。毛细数的改变不导致pattern的切换。相反，孔网络阵列则会出现两种不同的pattern。
  • 不同毛细数下气泡均不发生卡阻 这是由于方柱阵列结构throat半径和pore throat半径相等，因此气泡进入throat的贾敏效应无法提供足够的阻力以克服其所收到的浮升力。相反，后续讨论的孔网络阵列结构就会产生卡阻现象。（模型）

• 孔网络阵列

  • 气体注入后形成离散的气泡，与规整的方柱阵列不同，气泡的夹断不止发生在注入处，也发生在狭窄的throat中。注入处的断裂如上，由毛细力和浮力控制，而throat中的夹断可能是由于气体注入过程的不稳定性触发，由于（）决定。
  • 由于throat处的夹断而留在pore body内的气泡表现出大量卡阻现象。这是由于pore body半径与throat半径相比过大，贾敏效应足以克服其浮力。（模型）
  • 在注入的开始，多孔模型中不存在气体，因此气体会在浮力的作用下沿竖直向上的路径穿过多孔介质。但是由于夹断的发生，这一路径上的很多pore body卡阻的气泡占据。因此竖直向上不再具有最低的入侵压力，后续气体注入时会同使发生竖直向上的入侵和水平入侵。当竖直向上入侵的气体接触到已经存在的气泡时，融合会，此时气体将会继续沿此路径传输；相反，若气泡与入侵气体融合之前，横向入侵的界面就已经进入横向的下一个pore body，此界面将迅速膨胀因此剩余气体会继续沿此路径传输。前者会导致一个基本沿竖直方向入侵的传输路径，而后者则会导致气体偏离竖直的主流。离开主流的气体又会同时在向上和横向两个方向进行选择，上述过程不断发生，直到气体离开多孔介质。实验中可以发现，当毛细数足够大时，竖直入侵将占据主导地位，气体最终将主要从多孔介质顶端离开；当毛细数较小时，气体将倾向于从多孔介质模型侧边离开。我们基于lubrication theory推导了一个简单模型，用于定性解释上述两种流动pattern的毛细数选择性。（模型）

结论：

• 气泡卡阻由结构造成，在一定结构下，不同无量纲数导致不同的气泡行为（是否卡阻）
• 气泡的卡阻会进一步造成流动路径的改变，而由此产生的扰动会极大的影响多孔介质的阻力和换热特性。
• 实验观察到流动的毛细数是流动模式转变的诱因，其内在机理也已得到解释，即不同路径的入侵时间不同，气体倾向于选择入侵事件更短的路径，而毛细数促成了这种改变。