閉じ込められた空間における液滴の動力学：スケーリング則と次元クロスオーバー

有限空间中的液滴动力学：尺度定律和维度交叉

基本信息

批准号：
20J10242
负责人：
古賀由希菜マーガレット
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Ochanomizu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J10242/
关键词：
滴融合スケーリング則

项目摘要

本研究では、擬二次元空間下での液中液滴の融合という現象を取り扱った。ヘレショウセルを用いた擬二次元空間下において、外部液体（オイル）の粘度を非常に高くした実験を行い、グリセリン液滴が融合する際の、融合時の架橋部分（ネック）に着目して研究を進めた。実験の結果、本条件下では、ネックの半径がセルの厚み以下となる融合の初期で、ネックの成長速度が外部液体、液滴どちらの粘度にも依存しないということが分かった。また、本実験では、液滴が液槽の表面と互いに引き合って融合が開始する様子が見られた。これらの結果をもとに、2021年度は以下の方法でネックのダイナミクスが慣性領域にあることを確かめた。・理論式の導出：擬二次元空間ではあるが、セルの厚みよりもネックの半径が小さいため、ネックの形状は三次元的であることに留意した。また、本実験でみられた「ネックの高さ」という長さスケールに新しく着目し、ナビエ・ストークス方程式を次元解析的に用い、慣性領域におけるネックの成長法則を導出した。・理論式と実験結果の整合性：実験の特性上、液体の粘度や密度などを独立に固定した実験が難しかったため、実験データと理論式の整合性の確認は、グラフの軸の取り直し、相対時間スケールに基づいた検証、速度スケールに基づいた検証、と三通りの方法で行った。その結果、全ての方法においてその整合性を確認することができた。・粘性領域に関する検討：上記の理論式と実験結果の整合性の確認に加え、ネックのダイナミクスが粘性領域にはないということを確認した。粘性スケールが、ネックの半径、ネックの高さ、液滴の半径である3つの粘性領域についてそれぞれ考え、結果、全ての場合において実験結果と一致せず、着目しているネックのダイナミクスは粘性領域にはないことが確認できた。以上の方法で、本研究で着目したネックのダイナミクスが慣性領域にあることを確かめた。

在这项研究中，我们研究了准二维空间中液体中的液滴融合现象。我们使用 Helleshau 池进行了准二维空间中外部液体（油）的粘度极高的实验，并重点关注甘油液滴融合时的交联部分（颈部）。实验结果表明，在这些条件下，当颈部半径小于细胞厚度时，颈部的生长速率不依赖于融合早期外部液体或液滴的粘度。。此外，在该实验中，观察到液滴相互吸引到液浴表面并开始融合。基于这些结果，我们在 2021 年使用以下方法确认了颈部动力学处于惯性区域。 - 理论公式推导：虽然是准二维空间，但注意到颈部的形状是三维的，因为颈部的半径小于细胞的厚度。此外，我们新关注了本次实验中观察到的“颈部高度”的长度尺度，并利用纳维-斯托克斯方程进行量纲分析，推导出颈部在惯性区的生长规律。・理论公式与实验结果的一致性：由于实验的特点，很难进行单独固定液体粘度和密度的实验，采用了基于时间尺度的验证和验证三种方法。基于速度尺度。结果，我们能够确认所有方法的一致性。 - 粘性区域研究：除了证实上述理论公式与实验结果的一致性外，我们还证实了粘性区域不存在颈部动力学。我们考虑了三个粘性区域，其中粘性尺度为颈部半径、颈部高度和液滴半径，发现结果与所有情况下的实验结果都不相符，而我们关注的颈部动力学位于粘性区域经证实，没有这样的事情。利用上述方法，我们确认了本研究重点关注的颈部动力学处于惯性区域。