气液两相流研究破解“白色海浪”之谜

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近日，华东理工大学机械与动力工程学院特聘副研究员刘博在气液两相流基础理论领域取得重要突破，相关成果在线发表于《物理评论快报》并入选编辑推荐，该研究还被科普杂志《物理杂志》以《为什么海水容易产生白色泡沫》为题作亮点报道。

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白色的海浪。华东理工供图

海水中经常可以看到白色的浪花，但在湖泊、河流中却很难看到。这主要是因为海水中溶解的盐分（电解质）抑制了气泡的聚并，使得风浪冲击生成的小气泡停留在海水中，折射光线形成白色浪花。而在湖泊、河流中，风浪冲击形成的小气泡会迅速聚并，变成大气泡升浮、破裂进入大气中。海水中的小气泡对于海洋-大气物质传递（CO2溶解、气溶胶生成）具有重要作用，数十年来引起了科研人员的广泛关注。但盐分不具备表面活性，且可抑制双电层斥力，按照传统胶体稳定性理论，盐分应该促进而非抑制气泡聚并；该传统理论-实际观测的冲突成为困扰科学家们几十年的难题。

刘博团队自研仪器，创新地观测到气泡靠近过程中所形成微纳米液膜的动态薄化过程，电解质溶液中气泡呈现出一个与清水截然不同的两阶段合并：起初气泡靠近规律和纯水中相似，但当距离减小到大约40纳米时，接近表面的“前缘”就会因某种排斥力而变平。结合实验观测及理论建模，他提出了一种纳米尺度溶质输运理论模型，在不引入任何拟合参数的前提下解释了这种特殊的“两段式”液膜薄化过程。

相关研究解释了为什么泡沫在海水中容易产生，并预测了数十种电解质在抑制气泡聚并能力方面的不同表现，及其与阴阳离子配对的相关性。该理论成果对气液两相流、电解水制氢、污水处理等过程的气泡调控有着重要意义。

相关论文信息:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.104003