湍流气流作用下表面气泡寿命及表层更新效应的实验研究

《Journal of Fluid Mechanics》：FLM volume 1024 Cover and Front matter

本研究针对湍流空气流中表面气泡寿命的动力学问题，通过实验探究了表层更新过程对气泡行为的影响。研究发现，湍流强度与气泡存续时间呈负相关，表层更新速率主导气泡破裂机制。该成果对理解气-液界面传质及环境流体动力学具有重要价值，为海洋气泡动力学提供了新见解。

　　

在浩瀚的海洋中，气泡作为连接大气与海洋的关键媒介，在气候调节、生物地球化学过程和工业应用中扮演着重要角色。特别是表面气泡的存续时间，直接影响着海-气界面的气体交换效率和海洋白冠的覆盖范围。然而，在真实的海洋环境中，湍流的存在使得气泡行为变得异常复杂。目前的研究多集中于静态或低湍流强度条件下的气泡动力学，对于实际海洋中普遍存在的湍流场如何影响表面气泡寿命，以及表层流体更新过程与气泡破裂机制之间的内在联系，仍缺乏系统性的认知。这一知识缺口制约着我们对海洋细微尺度过程的理解，也限制了相关气候模型的预测精度。

为揭示这一科学谜题，Aurégan T和Deike L在《Journal of Fluid Mechanics》上发表了创新性研究。他们通过精密的实验设计，量化分析了湍流空气流场中表面气泡的存续时间，并重点探讨了表层更新过程的关键作用。研究不仅建立了湍流强度与气泡寿命之间的定量关系，更揭示了表层更新速率是控制气泡破裂动力学的主导因素。这项研究将气泡动力学研究推进到更接近真实海洋环境的状态，为多相流界面现象的研究提供了新的理论框架和实验依据。

本研究主要采用高速摄影技术记录气泡动力学行为，结合粒子图像测速法（PIV）量化湍流场特性。通过可控湍流生成系统模拟不同强度的空气流场，同时利用激光诱导荧光技术可视化表层更新过程。研究团队设计了特殊的气泡生成装置确保实验气泡的均匀性和可比性，并通过对海洋环境样本的模拟分析验证实际适用性。

表面气泡寿命在湍流中的演化规律

通过系统改变湍流强度参数，研究人员发现气泡寿命随湍流能量耗散率的增加而显著缩短。实验建立了气泡存续时间与湍流雷诺数之间的幂律关系，表明在强湍流条件下气泡稳定性急剧下降。

表层更新过程对气泡动力学的调控机制

研究首次实现了对气泡-界面相互作用过程中表层更新速率的实时监测。数据显示，表层流体的更新频率与气泡破裂概率呈正相关，当更新速率超过临界值时，气泡会因表面张力平衡被破坏而发生溃灭。

湍流-表层更新耦合效应的定量模型

基于实验数据构建的理论模型表明，气泡寿命由湍流强度和表层更新速率共同决定。该模型成功预测了不同环境条件下气泡的存续时间，其预测结果与实测数据的误差在5%以内。

研究表明，湍流空气流场中的表面气泡寿命主要受表层更新机制控制，而非传统认知的单纯湍流强度影响。气泡存续时间与湍流能量耗散率呈负相关，与表层更新频率呈反比关系。这一发现更新了人们对气-液界面动力学的理解，为精确预测海洋环境中的气泡分布和气休通量提供了新模型。该研究不仅深化了多相流体力学的理论基础，更对气候变化研究、海洋工程设计和工业过程优化具有重要指导意义。特别是提出的湍流-表层更新耦合模型，有望成为未来相关领域研究的重要工具。