液滴的凝并是生产生活中一种常见的现象，例如雨滴在下落过程中因碰撞而合并、油滴在水中自发聚集以及清晨叶片上露珠的形成等。在工业领域，液滴凝并同样具有重要的应用价值。

例如，在石油工业中，原油乳化液的破乳过程依赖于油滴或水滴的凝并，以实现油水分离；在食品和制药行业，喷雾干燥工艺中液滴的凝并行为直接影响最终产品的粒径分布和质量。乳液中液滴的凝并过程包括分散相液滴与体相之间连续薄膜的排液及其最终破裂。薄膜破裂后，液滴之间形成液桥并迅速扩展。因此，液滴凝并动力学也通常由液桥生长动力学来描述。相关领域的早期研究主要集中在体相流体中不混溶的液滴之间的凝并，而声悬浮作为一种无容器技术，可以非接触地操纵液滴的凝并，触发液滴之间的反应、实现细胞融合，为液滴凝并研究开辟了新的道路，对微流体操纵具有一定的借鉴价值。

西北工业大学臧渡洋教授团队研究了声悬浮条件下液滴的凝并过程，发现了液桥生长动力学显示出各向异性的特征。相关研究成果以“Version-Anisotropic growth dynamics of liquid bridge during droplet coalescence under acoustic levitation”为题发表于Physical Review Fluids.

该工作系统研究了声悬浮条件下凝并过程中液桥尺度随时间演化的标度率关系。发现液桥的生长仍然遵循，标度率的指数项数值对声场强度不敏感，这表明液桥的生长主要由惯性力控制。然而，标度前因子会随着液桥的纵横比变化，其明显受到声场强度和液滴表面张力的共同影响。对声辐射压力分布进行模拟显示，在液桥表面上存在不均匀的受力模式：极点处的压力为正，而赤道处的压力为负，这导致液桥在更大的纵横比下发生变形。

引入了无量纲数：Acoustic-capillary dynamics Number ()，量化Laplace压与声辐射压对液桥生长过程中的作用对比。在早期阶段，液桥较小的水平曲率半径产生了更高的Laplace压，成为液桥生长的主要驱动力，并促进了液桥横向扩展；而较大的垂直曲率半径限制了垂直方向的生长。这表明，尽管声辐射压力并不是液桥生长的直接驱动力，但其可能通过改变液桥颈部的曲率间接影响液桥的生长，从而影响Laplace压分布并加强生长各向异性。

这种对声场条件下液桥生长动力学各向异性的新理解，表明通过调节声场可以控制凝并液滴的形状和液桥生长行为，为生物、化学和材料等领域的非接触操作和液滴混合研究提供了新的思路。

图1:声悬浮作用下凝并过程中液滴的形态演化。(a)和(c)分别是水滴凝并过程的侧视图和底视图；(b)和(d)分别为0.2CMC SDS溶液液滴凝并过程的侧面和底部视图。

图2:不同声压级下水滴凝并过程中液桥的横向生长动力学。(a)凝并过程中液体桥宽度随时间的演化；(b)归一化后液体桥宽度随时间的演变。

图3:K= 0.3，SPL = 162.5 dB 时凝并水滴表面的声辐射压力分布。(a) 液桥表面声压分布的侧视图。(b) 声压分布的底视图。(c) 沿桥梁纵断面的压力大小和方向示意图，箭头长度表示压力大小。(d) 不同系数K下桥面上压力的空间分布。

图4: (a) 拉普拉斯压力差 Δ（垂直方向）和 Δ（水平方向）随纵横比的变化。插图说明了曲率半径和 的定义。(b) 北极和赤道的声辐射压力 () 作为 的函数。(c) 声毛细管动力学数 和 分别表示在不同下垂直方向和水平方向拉普拉斯压力对声辐射压力的

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.10.013603