建大新闻网讯    近日，建筑设备科学与工程学院张静刚副教授在流体力学领域取得重要突破，其题为Modelling surfactant effects on the onset of spontaneous droplet breakup in both regular and irregular T-junction microchannels的研究成果，发表于英国剑桥大学创办的流体力学权威顶级期刊Journal of Fluid Mechanics（中文译名《流体力学杂志》，2024 年影响因子3.9）。

该论文第一作者兼通讯作者为我校建筑设备科学与工程学院热工流力中心张静刚副教授，共同通讯作者为西安交通大学刘海湖教授，合作作者包括香港城市大学王东博士及我校建筑设备科学与工程学院崔海航、陈力两位副教授，我校为第一署名单位。这是我校再次以第一署名单位在该顶级期刊发文。此前，张静刚副教授已于2024 年以通讯作者身份在该期刊发表相关论文，此次成果进一步彰显其在该领域的持续深耕与学术影响力。上述系列研究均获国家自然科学基金青年基金项目资助。

微液滴通常由大液滴流经T型微通道发生被动破裂而产生。已有研究表明，干净液滴颈部收缩会经历从惯性主导到界面张力主导的转变，但这一转变的触发机制仍存在争议。此外，表面活性剂对该转变的影响尚未明晰。因此，系统研究T型微通道中干净和含表面活性剂液滴的破裂行为，对优化液滴破裂过程、推动液滴微流控器件发展至关重要。目前，判定液滴自发破裂临界颈部厚度的准则主要有两种：（1）颈部曲率高于其他所有界面区域的曲率；（2）颈部中心的毛细压力与颈内压力达到平衡。这两种准则是否一致，其内在关联仍需进一步探究。尽管已知表面活性剂会影响液滴生成与破裂，但其对临界颈部厚度的影响机理仍不明确。

图1 非规则T型微通道内含表面活性剂液滴破裂示意图

为填补上述研究空白，本文对干净与含表面活性剂液滴在规则及不规则T型微通道（图2）中的流动进行了数值模拟研究。针对规则T型通道，首先通过暂停-流动模拟确定了不同限制比下液滴临界形状（图2）。基于此，提出一种新的临界颈部厚度判定准则，即当触发区（图3阴影区域）局部毛细压力超过拉普拉斯压强差时，颈部自发破裂，并对已有准则开展了直接对比验证。通过比较两种系统中临界颈部厚度的差异，揭示了表面活性剂的作用机制，并探究了活性剂参数对临界颈部厚度的影响，从而为表面活性剂用量提供依据。针对带收缩结构的不规则T型通道（图1），建立了用于预测临界颈部厚度随收缩深度与长度变化关系的经验预测公式。这些公式不仅为器件设计提供了实用的预测工具，更对今后建立并验证相关理论模型具有重要的基准意义。

图2 不同限制比下液滴形态，其中图（a）中限制比分别为0.4，0.6，0.8和1。

论文链接：

https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/abs/modelling-surfactant-effects-on-the-onset-of-spontaneous-droplet-breakup-in-both-regular-and-irregular-tjunction-microchannels/7DF85945024029BB3DE94886177AF068

文字：吴永婷（建筑设备科学与工程学院）

图片：张静刚（建筑设备科学与工程学院）

编辑：肖雯雯