软反应器中气泡诱导的对流与流动不稳定性

浮力驱动的气泡流在各种场景中发挥着关键作用，例如上层海洋的氧化与混合，以及化学反应器和生物反应器中的反应动力学。本工作聚焦于在水箱中局部释放大气泡（$D_b=3.7$ mm, $\mathrm{Re}_b=950$）所诱导的对流流动，探索在 $3\times10^3 \div 2\times10^5$ 范围内随 Rayleigh 数变化的流动及其从层流向扰动状态的转变。在低 $\mathrm{Ra}$ 下，流动平滑且呈层流状，具有微弱的时间振荡；而在临界值 $\mathrm{Ra}_c$ 之上则出现高度扰动状态。我们提出了将平均流环量与 Rayleigh 数联系起来的理论分析。通过利用 3D 粒子跟踪测速和流动可视化的实验研究，我们证实了所提出的理论，并表征了系统中从层流向扰动的转变。该研究为气泡产生的对流动力学提供了见解，对生物反应器软混合器设计等应用具有启示意义。