单液滴与多液滴沉浸于宿主液体中由对流主导的溶解过程

我们通过数值研究单液滴和多液滴的溶解，其中液滴由溶解于密度更大的宿主液体中的较轻液体构成。浮力的显著性由瑞利数Ra量化，即浮力与黏性阻尼力之比。在本研究中，Ra跨越近四个数量级，从0.1到400。我们关注以舍伍德数Sh表征的质量通量以及流动形态如何依赖于Ra。对于单液滴溶解，我们首先展示了Sh(Ra)标度从常数值到$Sh\sim Ra^{1/4}$的过渡，这证实了Dietrich等人（J. Fluid Mech., vol. 794, 2016, pp. 45--67）的实验结果。两种截然不同的机制，即扩散主导和对流主导机制，表现出不同的流动形态：当Ra>=10时，可清晰看到浮力羽流，这与低Ra下的纯扩散情形形成鲜明对比。对于多液滴溶解，众所周知的屏蔽效应在低Ra下发挥作用，使得溶解速率比单液滴情形更慢。然而，在高Ra下，对流变得越来越主导，以至于集体羽流增强了质量通量，且显著地多液滴比单液滴溶解得更快。这也在Laghezza等人（Soft Matter, vol. 12, 2016, pp. 5787--5796）的实验中观察到。我们通过单一较大羽流而非多个独立羽流的形成来解释这种增强。此外，存在一个最优Ra使增强最大化，因为在较大Ra下单一羽流更窄，从而阻碍了增强。我们的发现展示了集体液滴溶解中的一种新机制，即羽流的合并，导致了与屏蔽效应相反的非平庸现象。