流体与颗粒系统中图案形成非平衡动力学的实验研究

图案在自然界中司空见惯。截然不同的多尺度图案通常是机械或流体动力学不稳定性相关的非平衡动力学过程的结果。在本论文中，我报告了关于若干流体与颗粒系统实例中图案形成的实验研究，并揭示了产生这些图案的潜在机制。已知 Leidenfrost 液滴经历星形振荡且阻尼很小。然而，其潜在机制仍不清楚。在此我报告，快速蒸发的蒸气流与气液界面之间的流体动力学耦合激发了星形振荡，表明其纯属流体动力学起源。多边形干裂裂纹图案在自然系统中常见。然而，尚不清楚跨越多个长度尺度的类似裂纹图案是否共享相同的底层物理。我报告了在微米级颗粒干燥悬浮液中的多边形裂纹实验的结果。在玉米淀粉-水混合物中，由于两种不同的干燥机制观察到了多尺度裂纹图案。我们还发现多边形裂纹的特征面积与膜厚度服从一个普适幂律。最后，我报告了黏性流体中非布朗粒子的沉降。我们在二维和三维的两体及多体系统中观察到具有非均匀密度的粒子之间的有效排斥，这与均匀密度粒子相反。我们还刻画了三维中粒子沉降图案的统计性质。本论文中报告的图案代表了由非平衡动力学驱动的流体与颗粒系统中的典型例子，我们所揭示的潜在机制有望增进我们对这些看似简单的图案如何在自然系统中产生的理解。