Пузырьки лопаются, когда их оболочки разрываются. Дети открывают это явление каждый летний день, но оно также лежит в основе ключевых механизмов распространения загрязняющих веществ. 🔬
Когда пузырьки лопаются, они создают аэрозольные частицы. Хотя лопание пузырьков в чистых веществах изучено хорошо, влияние загрязнителей на динамику лопанья не получило широкого внимания.
Исследование в Инженерном колледже Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне
Исследователи в Инженерном колледже Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне провели систематическое исследование, чтобы изучить струи, образующиеся при лопанье пузырьков — аэрозольные частицы, распыляемые при разрыве поверхности пузырьков — когда на поверхности присутствуют загрязнители.
Лаборатория профессора кафедры механических наук и инженерии Цзе Фэна разработала модель, предсказывающую влияние загрязнителей на размер струи, и экспериментально подтвердила её.
Исследование [опубликовано](https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.214001) в журнале Physical Review Letters, где оно было отобрано как предложение редакции.
Пузырьки и загрязнители
«Пузырьки обычно образуются или намеренно используются во многих природных и инженерных условиях», — говорит Фэн. «Когда они поднимаются из-за плавучести, они покрываются окружающими химическими веществами, такими как микро- и нанопластики, биосурфактанты и даже бактерии и вирусы, и распространяются через струи жидкости и образующиеся аэрозольные капли, создаваемые при разрыве пузырьков на границе раздела воздух-жидкость».
Этот механизм имеет решающее значение для понимания таких явлений, как распространение загрязняющих веществ из-за разливов нефти и распространение респираторных заболеваний, но до сих пор не было систематических исследований для количественной оценки размеров капель, содержащих загрязнители.
Ограниченные данные и отсутствие теоретической работы
Лаборатория Фэна обратилась к своим возможностям в области многофазных потоков, чтобы изучить это явление. Чтобы имитировать загрязнённый пузырёк, исследователи использовали специализированную коаксиальную систему с отверстием, которая впрыскивает газ в воду для образования пузырьков, а затем покрывает их силиконовым маслом.
«Моё исследование было сосредоточено на механике жидкости и воздействии на окружающую среду, связанном с лопаньем пузырьков», — сказал Чжэнъюй Ян, аспирант лаборатории Фэна и ведущий автор исследования. «Мы уже создали экспериментальные возможности, необходимые для получения высококачественных данных по этой проблеме. Затем встал вопрос о создании правильной теории, чтобы объяснить то, что мы обнаружили».
Результаты показали, что размер выбрасываемых аэрозольных капель зависит от толщины слоя масла, вязкости масла и поверхностного натяжения. Чтобы разработать математическую модель, объясняющую это поведение, исследователи ввели новый параметр, учитывающий наличие масляного слоя. Они называют этот параметр «пересмотренным числом Онезорге» в честь классического числа Онезорге, управляющего динамикой чистых струй лопанья пузырьков.
«Наши результаты ценны для понимания и смягчения воздушно-капельной передачи загрязняющих веществ, опосредованной пузырьками и каплями», — сказал Фэн. «Чтобы реализовать их в полной мере, нашим следующим шагом будет рассмотрение коллективного лопанья пузырьков — изучения множества пузырьков, одновременно производящих аэрозольные струи, что является более практическим сценарием в реальном мире».
Ян Лю из Университета Цинхуа также участвовал в этой работе.
Предоставлено Инженерным колледжем Грейнджера при Университете Иллинойса.