近日，伟德客户端李真珍副研究員、劉戰偉教授聯合加拿大西部大學Jerzy M. Floryan教授在自由液面的馬蘭戈尼不穩定性方面取得新進展。相關成果以“Experiments on Marangoni spreading - evidence of a new type of interfacial instability”為題發表于流體力學頂級期刊Journal of Fluid Mechanics (958: A33, 2023)。伟德客户端為唯一通訊單位，伟德客户端李真珍副研究員、劉戰偉教授為共同通訊作者，伟德客户端2022碩士畢業生馬雪、黃耀為論文的第一、第二作者，碩士研究生黃彥如參與工作，加拿大西部大學Jerzy M. Floryan教授為共同作者。該研究得到了北理工青年教師啟動計劃、國家自然科學基金面上項目的資助。
馬蘭戈尼流動在自然界廣泛存在，并在工業中也有重要應用。在呼吸道藥物輸運，尤其是含有表面活性劑的藥物療法中，研究粘彈性液膜表面的馬蘭戈尼鋪展過程有助于解釋其藥物輸運的動力學過程，為治療方案提供指導。這些重要的應用啟發了國内外學者近30年來開展關于馬蘭戈尼流動和液體傳質方面的研究。考慮到呼吸道表面的複雜流體性質，我們結合高粘度和流變性質對複雜流體的鋪展動力學機理進行分析和建模，提出呼吸道表面液膜在鋪展過程中失穩的臨界條件和不穩定波長的選擇機制。
我們分析了流體粘性和粘彈性對馬蘭戈尼不穩定花紋的影響。首先利用牛頓流體，考慮經典Saffman-Taylor失穩臨界條件，提出了自由液面稀溶液推入粘溶液形成絲狀不穩定條紋的臨界毛細數
。進而利用粘彈性流體，通過多種實驗表征手段對不穩定現象進行三維的描繪，使用顆粒示蹤法（PTV）描述鋪展過程中移動接觸線附近的速度場，通過分析顆粒的密度分布估算其殘留液膜的厚度。通過透射點陣光學折射法分析界面擾動，其高度擾動結果與顆粒示蹤法估算的液膜厚度擾動一緻。
我們對這種粘彈性引起的脊狀不穩定現象進行幾何解釋，并結合PTV實驗和量綱分析，描述了粘彈性液膜内部的彈性剪切形變，解釋其失穩機理，從而幫助更好地理解吸入式藥物在呼吸道中的輸運過程。
論文連接：
https://doi.org/10.1017/jfm.2023.108
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0028882
圖：馬蘭戈尼鋪展流動以及PTV、透射光栅法的實驗表征。
