The impact and bounce of air bubbles at a flat fluid interface

气泡 机械 阻力 表面张力 浮力 拉普拉斯压力 附加质量 变形(气象学) 硅油 润滑 飞溅 材料科学 物理 热力学 复合材料 振动 量子力学
作者
Rogério Manica,Evert Klaseboer,Derek Y. C. Chan
出处
期刊:Soft Matter [Royal Society of Chemistry]
卷期号:12 (13): 3271-3282 被引量:51
标识
DOI:10.1039/c5sm03151f
摘要

The rise and impact of bubbles at an initially flat but deformable liquid-air interface in ultraclean liquid systems are modelled by taking into account the buoyancy force, hydrodynamic drag, inertial added mass effect and drainage of the thin film between the bubble and the interface. The bubble-surface interaction is analyzed using lubrication theory that allows for both bubble and surface deformation under a balance of normal stresses and surface tension as well as the long-range nature of deformation along the interface. The quantitative result for collision and bounce is sensitive to the impact velocity of the rising bubble. This velocity is controlled by the combined effects of interfacial tension via the Young-Laplace equation and hydrodynamic stress on the surface, which determine the deformation of the bubble. The drag force that arises from the hydrodynamic stress in turn depends on the hydrodynamic boundary conditions on the bubble surface and its shape. These interrelated factors are accounted for in a consistent manner. The model can predict the rise velocity and shape of millimeter-size bubbles in ultra-clean water, in two silicone oils of different densities and viscosities and in ethanol without any adjustable parameters. The collision and bounce of such bubbles with a flat water/air, silicone oil/air and ethanol/air interface can then be predicted with excellent agreement when compared to experimental observations.
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