气泡从收缩口的不稳定生长

气泡和液滴在工程许多领域中无处不在，包括微流控领域，其中它们可用作筛选化学反应的微反应器。它们通常通过将给定体积的气体吹入液相，从收缩口（微流控通道或圆柱形管）形成。显然，能够控制其尺寸至关重要，但由于气泡体积与由拉普拉斯定律引起的气体压力之间的耦合，这并不总是容易的。在本文中，我们研究了从圆柱形管吹出的肥皂泡的尺寸和形成动力学，这是气泡和液滴形成的范式几何结构。为此，管的一端由肥皂膜封闭，另一端连接到充满气体的可变体积大储层。为了给气泡中的气体充气，我们减小储层体积，这模拟了通过肺隔膜的气球充气或流动聚焦等微流控几何结构中的流率驱动气泡形成。随着储层体积减小，气体压力增加，肥皂膜弯曲并呈现球冠形状，其曲率半径越来越小。这一准静态过程持续进行，直到达到临界压力，此时气泡为准半球形。超过此压力后，膜经历快速拓扑转变并在极短时间内（小于一百毫秒）急剧膨胀，直至达到其最终体积。我们特别通过表明该不稳定 regime 出现在一个无量纲数（我们给出了其表达式）达到临界值时来描述这种不稳定性。利用我们解析求解的准静态模型，我们预测了任意储层体积和收缩口尺寸下产生的气泡生长动力学和最终高度。