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为解决向上凝固过程中气泡传输及聚并机制不明的问题，国立中山大学的研究人员开展相关研究，得出影响气泡聚并和溶质浓度的因素。该成果有助于优化材料微观结构，提升性能，值得科研人员一读。
在材料的微观世界里，隐藏着许多有趣的奥秘，其中多孔材料的形成过程就像一场微观的奇妙旅程。多孔材料在焊接、铸造、增材制造等众多领域都有着广泛应用，它的性能很大程度上取决于孔隙在凝固过程中的生长、中断和聚并情况。打个比方，孔隙就像是材料微观结构中的 “小居民”，它们的一举一动都影响着材料这个 “大社区” 的整体性能。
过去，虽然人们对气泡生长和聚并的机制有了一些认识，知道流体流动、压力差和气泡间薄膜厚度等因素在起作用，但对于向上凝固过程中两个气泡的发展、聚并和捕获过程中的传输过程，还缺乏深入理解。就好像我们知道一些影响游戏结果的因素，但对于整个游戏的具体规则和流程还不清楚。为了填补这一知识空白，国立中山大学机械与机电工程系的研究人员 I.C. Hsieh、P.T. Tseng 等人在《Heliyon》期刊上发表了题为 “Transport processes and coalescence of two entrapping bubbles during upward solidification” 的论文。
研究人员在研究中运用了多种技术方法。他们使用商业软件 COMSOL 5.2，通过求解气泡、液体和固相内的传输方程来模拟整个过程。在模拟时，建立了一个物理模型，设定了各种参数，像气泡的初始半径、位置，以及不同边界的条件等，以此来探究不同因素对气泡聚并和溶质浓度等方面的影响。
下面我们来看看具体的研究结果。
模型与方程
研究人员构建了一个特殊的模型，就像搭建了一个微观的 “舞台”，用来观察气泡在向上凝固过程中的各种表现。在这个模型里，考虑了重力、温度、压力等多种因素的影响。通过一系列复杂的方程，包括质量、动量、能量和浓度方程等，来描述这个微观世界里物质的运动和变化规律。这些方程就像是微观世界的 “法律条文”，约束着气泡、液体和固体的行为。比如质量方程
，它规定了质量在这个微观世界里是如何守恒的，就像在一个封闭的游戏里，资源的总量是固定的，不会凭空出现或消失。
结果与讨论
在研究过程中，研究人员发现了很多有趣的现象。他们首先研究了网格分辨率对预测结果的影响，就像调整显微镜的清晰度一样，发现合适的网格分辨率（
的粗网格）就能得到准确且收敛的结果。而且，预测的接触角和阿贝尔第一类方程的结果很吻合，这就像是两个好朋友在很多观点上不谋而合，证明了研究的可靠性。
接着观察气泡和周围物质的变化。当水平速度为
等条件设定好后，他们发现等浓度线会跟着凝固前沿和气泡的形状走，在气泡帽、孔隙边界和凝固前沿附近，溶质会明显地聚集在一起，就像一群小朋友喜欢在特定的地方扎堆一样。同时，液体中的速度场也很有特点，在气泡帽周围流动，而且离气泡帽和凝固前沿越远速度越大。随着时间推移，在两个气泡之间还会出现高浓度区域，并且这些区域会不断生长和合并。
研究人员还发现，很多因素都会影响气泡的聚并。比如，降低亨利定律常数、环境压力、固相热导率和分配系数，或者增加水平来流速度、表面张力和液体溶质扩散率，气泡就更容易聚并。这就好比改变游戏规则，让气泡更容易 “团结” 在一起。同时，这些因素也会影响溶质浓度，比如降低亨利定律常数和液体溶质扩散率，或者增加水平速度、环境压力、固相热导率和表面张力，孔隙周围的溶质浓度就会增加。
研究结论
通过这次研究，研究人员有了不少收获。他们发现气泡在合并前和合并后的流动方向是不一样的，合并前是顺时针流动，合并后在周围液体中，前导气泡周围是逆时针流动，后随气泡周围是顺时针流动。而且，由于上游来流速度的影响，前导气泡前方液体中的浓度梯度通常比后随气泡后缘的要高。但当亨利定律常数变小、液体溶质扩散率变低时，浓度场会变得更对称。
这项研究的意义重大。它就像一把钥匙，为我们打开了理解多孔材料微观结构形成过程的大门。通过深入了解气泡的传输过程和聚并机制，我们可以更好地控制材料的微观结构，从而提高材料的性能。这在实际应用中非常有帮助，比如在材料制造领域，可以根据这些研究成果优化工艺，制造出性能更优越的材料，就像打造出更坚固、更耐用的 “微观城堡”。不过，虽然研究结果和理论分析很相符，但还需要更多的实验来进一步验证，就像一场考试，虽然平时练习成绩不错，但还需要真正的考试来检验一样，这样才能让研究成果更加可靠。
