新闻网讯（通讯员 杨志兵）近日，国际权威期刊Physical Review Letters发表了陈益峰教授团队关于多相流界面稳定性的研究成果。论文题目为“Stability Transitionin Gap Expansion-Driven Interfacial Flow”（间隙扩张驱动下多相流界面稳定性转变）。水资源工程与调度全国重点实验室已毕业2018级博士李东奇和杨志兵教授为共同第一作者，杨志兵教授和陈益峰教授为共同通讯作者，论文合作者包括耶鲁大学助理教授Amir Pahlavan博士、武汉大学水利水电学院胡冉教授和博士生张仁君。该研究得到了国家自然科学基金杰出青年基金项目、基础科学中心项目、面上项目，以及水资源工程与调度全国重点实验室开放基金的资助。
多相流是流体力学的一个重要研究方向。受相界面稳定性的控制，多相流常呈现多种流动模式和界面形态，这背后蕴含着复杂的物理机制。一个经典的理论情形是平行板所形成的间隙中的两相流动问题，当小粘度流体驱替高粘度流体时，会形成手指状的界面形态，也被称为Saffman-Taylor不稳定性。大量研究表明，多相流态及界面稳定性可通过调节流速、流体性质、壁面几何结构以及边界约束等手段来实现控制。界面稳定性影响流动效率和宏观特性，其调控机制对于地下能源高效开采、微流体技术等工业应用有重要意义。
在间隙扩张条件下，两相界面形态演化与流态转变的物理机制仍不清楚。由于间隙扩张导致的时变效应，传统的基于扰动增长速率的线性稳定分析理论无法解释界面稳定性转捩机制。为此，研究团队聚焦“间隙扩张驱动下多相流界面形态演化与稳定性控制”这一关键科学问题，研发了间隙开度实时控制的多相流可视化实验平台，实现了间隙扩张驱动下多相流界面形态的动态观测。基于可视化实验平台，研究团队深入开展了间隙扩张驱动下气-液两相界面演化模式的研究，系统揭示了初始开度、扩张速度、边界尺寸和流体粘度等因素的影响，建立了气-液两相界面演化模式实验相图（如图1）。
图1.间隙扩张驱动下气-液两相界面演化模式实验相图
研究发现，在较广的参数范围内气-液两相流动可保持界面稳定，这与传统的理论预测存在巨大的分歧。传统的基于扰动增长率的理论判据无法预测界面稳定性转捩临界条件。为解决这一问题，研究团队分析了稳定与不稳定两种模式下扰动增长速率、扰动幅值的演变规律，进而引入了基于扰动幅值与最小平面曲率的界面稳定新理论判据，并得到实验数据的验证（图2）。此外，他们发现不稳定形态中的树枝状层级结构的形成是由有限空间内多指进生长竞争引起的，并基于扰动幅值准则进一步推导了指进数量动态演变的解析公式（如图3）。
图2.气-液两相界面扰动增长速率与扰动幅值的演变规律以及界面稳定新理论判据与实验验证
图3.不稳定气-液两相界面树枝状层级结构及指进数量动态演变规律与理论预测
上述工作系统阐明了间隙扩张体系中气-液两相界面形态演化的物理机制，深化了对于多相渗流-力学耦合机制的认识，为实现界面稳定控制提供了关键理论支撑。研究成果对于优化油气压裂开采技术、提高地下水污染物修复效率、提升工业粘合剂性能等工业过程具有重要指导意义和参考价值。
论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.034003
（编辑：张丽平）
