工学院吕鹏宇副研究员在气泡相互作用方面取得重要进展

北京大学工学院

2021-12-14 浏览量: 2109

(a) 气泡相互作用实验装置示意图；(b) 气泡融合示意图。

工学院先进制造与机器人系吕鹏宇博士与德国科学院院士、荷兰皇家科学院院士、美国国家工程院外籍院士、荷兰屯特大学Detlef Lohse教授合作，在气泡相互作用方面取得了重要进展，研究成果以“Self-Propelled Detachment upon Coalescence of Surface Bubbles”为题，于近日发表在美国《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 127, 235501, 2021. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.235501)。吕鹏宇博士为本文第一作者。能源、催化等领域的大量电化学反应（例如电解水制氢、过氧化氢分解等）中都存在析气反应，在电极或催化剂表面生成大量气泡。气泡的积聚与覆盖，会极大减小表面与电解液的接触面积，降低反应速率和能量转换效率。如何促进气泡从表面脱离是设计高效电化学/催化过程的重要技术挑战之一。另外，气泡的脱离会扰动局部流场，增强对流，促进反应物到达催化剂表面，从而提高反应效率。因此，研究固体表面气泡生成演化的机制与气泡从表面脱离的规律，揭示气泡-气泡、气泡-基底相互作用机理具有重要的科学意义和工程价值。该研究针对过氧化氢催化分解产生气泡的融合与脱离过程（见上图），发现了气泡的融合可以加速气泡从表面脱离（见视频）。相比于浮力诱导脱离的气泡，融合诱导脱离的气泡尺寸仅为前者的三分之一。这是由于相邻气泡的融合会释放表面能，其中一部分能量被气泡振荡过程中的粘性阻力耗散，余下部分能量转换成气泡从表面脱离的动能（见下图）。该研究给出了气泡从表面脱离的临界尺寸，很好地预测了气泡融合与脱离的力学行为，为促进水解制氢等新能源技术的发展提供理论基础。

气泡融合后的状态相图，以及融合诱导气泡从表面脱离的机理。

吕鹏宇博士长期从事流固界面演化规律及多尺度界面力学研究，并取得了一系列成果，发表在国际重要期刊(J. Fluid Mech. 899, A8, 2020; Phys Rev. Fluid 5, 124601, 2020;Phys. Fluids 32, 122111, 2020; Phys. Fluids 29, 032001, 2017; Phys. Rev. Lett.112, 196101, 2014, ESI高被引文章)。

相邻气泡的融合诱发了气泡从基底表面脱离

图文编辑 | COE

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