热对流乳液的动力学机制

乳液在各个跨学科领域至关重要，然而对其在浮力驱动的热流中行为的令人满意的理解尚未建立。在本工作中，我们利用大量介观数值模拟揭示了乳液中热对流的动力学机制。乳液由给定体积分数的初始分散相$\phi$制备，范围从稀疏（低$\phi$值）到阻塞乳液（高$\phi$值），导致乳液产生不同的流变响应，即分别从Newtonian到非Newtonian屈服应力行为。然后，我们在Rayleigh-Bénard对流的典型设置中表征乳液的动力学，即当乳液被限制在处于不同温度的两平行壁之间并在浮力作用下时，后者由无量纲Rayleigh数Ra表征。我们全面研究了乳液在$\phi$和Ra变化时的动力学。对于给定的$\phi$，随着Ra的增加，我们观察到乳液表现出对流状态，其中可能出现结构变化（即液滴破碎、聚并或相变），这不可避免地影响乳液的流变学。对于足够高的Ra值，观察到两种对流状态：对于低/中等$\phi$值（Newtonian乳液），我们观察到以破碎为主的动力学，而对于高$\phi$值（非Newtonian乳液），我们观察到相变状态。对于这两种情况，液滴尺寸分布均依赖于Ra，并分析和量化了平均液滴尺寸的标度律。我们的结果提供了对乳液在热对流下丰富动力学的见解，首次详细表征了预期的各种动力学机制及其与此类复杂流体中发生的结构变化的关系。