█ 異質液滴碰撞之實驗與計算研究
文、圖◎潘國隆教授
█ 臺英交流計畫--異質液滴碰撞之實驗與計算研究--簡介
「異質液滴碰撞之實驗與計算研究 (Experimental and Computational Studies of Heterogeneous Droplet Collisions)」計畫為科技部與英國皇家科學院國際合作人員交流計畫之一，臺英雙方參與單位分別為臺灣大學機械工程學系（由本人擔任臺方計畫主持人）及英國牛津大學物理系（英方主持人：Prof. Julia Yeomans）。
在計畫第一年度中，本人率領團隊至英方Prof. Julia Yeomans研究室討論不同計算方法對於異質液滴碰撞模擬成功的可行性，並且學習初階Lattice Boltzmann method的計算原理。而英方Prof. Alfonso A. Castrejon-Pita則於參訪我方期間於臺大機械系的演講中公開展示液滴產生技術、液滴破裂與截斷機制、液滴與平板交互作用及液滴與液面交互作用的研究。除此之外，我方亦於英方參訪期間展示既有的玻璃噴嘴製造技術及液滴產生暨觀測系統，同時與英方交流人員進行研究上的交流與討論，建立未來各方面合作的平台。
█ 學術交流
本次交流首先為我方於2017年9月拜訪英國牛津大學(Oxford University) 物理系理論物理組Prof. Julia Yeomans的研究團隊。
Prof. Yeomans任教於英國牛津大學物理系理論物理組(Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics，圖1)，專長為biological and active matter system、膠體懸浮系統及多相流行為，於物理領域中享譽盛名。其團隊針對流體與各種不同結構之物體的交互作用有極為豐富的研究成果，發表之期刊論文數已數百篇之多，其中特別研究不同尺度下active particles的複雜行為、液滴與不同特性平板之間的交互作用、以及微生物於微流道的運動行為等，這些成果對流體力學之發展與應用皆有重要的影響。
█ 圖1 英國牛津大學理論物理系(a)系館及(b)大門
由於此計畫是雙方交換的第一年，為明確雙方共同目標與加強計畫實施之要點與細節，我方至牛津大學拜訪Prof. Julia Yeomans (圖2)，並一起於其辦公室網路遠端與Northumbria University的Dr. Ciro Semprebon交換研究心得。其中英方分享利用Lattice Boltzmann法模擬異質液滴碰撞的進度，而我方則展示異質液滴碰撞的實驗成果及利用開放源軟體GERRIS模擬同質液滴正撞比對實驗的成果。
另外在訪問牛津的一個禮拜中，英方博士生Kristian Thijssen在其中一天分享Lattice Boltzmann method原理(圖3 (a))及其如何應用於計算流體力學中，我方則於另一天由碩士生謝宛庭分享如何使用開放源軟體OpenFOAM模擬雙異質液滴碰撞，接著博士生黃冠嶺分享其背後之計算原理並介面追蹤技術(圖3 (b)-(d))，雙方學生在互相學習各自所長，視野可說有顯著的拓展。
█ 第二次臺方訪英學術交流
在107-1學期結束後，本人再度帶領團隊啟程至英方作第二次交流訪問。在兩星期的行程(2018/1/28～2/10)中，除了繼續與主持人Prof. Yeomans及團隊討論交流(圖2(a))，此計畫也參與了Durham University的Senior Lecturer, Dr. Halim Kusumaatmaja以及Northumbria University的Lecturer, Dr. Ciro Semprebon，本人並因此受邀請至Newcastle的Northumbria University於2月2日在Department of Physics and Electrical Engineering講演，講題為On The Impact of Binary Droplets with Identical and Distinct Liquids，與我們和牛津大學的合作主題有密切關連，分別以實驗與數值模擬方法研究異質液滴的碰撞行為與基礎機制。由此二次頻繁與密集的互訪，產出了雙方的進一步連結與初步的計畫成果。
█ 圖2 (a)潘國隆教授(右)於牛津大學拜訪Prof. Julia Yeomans(左)；以及(b)博士生黃冠嶺(右一)與碩士生謝宛庭(中)和Prof. Julia Yeomans (左一)
█ 圖3 (a)牛津博士生Kristian(左一)分享Lattice Boltzmann 法原理。(b)我方博士生黃冠嶺(左一)分享如何使用有限體積法差分求解Navier-Stokes方程式。(c)我方碩士生謝宛庭(右)分享如何使用開放源軟體OpenFOAM模擬異質液滴碰撞。(d) 我方博士生黃冠嶺(後)分享多相流中氣-液界面追蹤VOF法原理
█ 英方訪臺學術交流
繼臺方訪英後，英方牛津大學工程科學系Prof. Alfonso A. Castrejon-Pita於2018年5月與博士生Kristian訪問國立臺灣大學機械工程學系，如圖4所示，5月7日於機械工程學系專題討論課分享其發展的液滴產生技術、液滴液柱的動力行為及相關應用。演講主要分為四大部分：液滴產生技術、液滴破裂與截斷機制、液滴與平板交互作用及液滴與液面交互作用。液滴產生技術部分如圖4(a)所示，Prof. Castrejon-Pita利用傳統壓電噴墨技術搭配可調式電訊號，使噴墨孔中的液面震盪並產生噴射液柱，微小(~40 μm)且高速的液滴便可透過截斷機制產生如圖4(b)所示。
液滴破裂與截斷機制部分，如圖4(c)所示，Prof. Castrejon-Pita使用高速攝影機拍攝懸垂液滴截斷時液橋(liquid bridge)最細處隨時間之發展，其中發現不管液橋截斷處於何，截斷前液橋最細處的厚度隨時間發展與早期Eggers的理論吻合，此結果對本實驗室雙液滴碰撞後分離的現象有很大的幫助。液滴與平板交互作用部分，Prof. Castrejon-Pita利用黏彈性平板當作液滴撞及平面，成功減低液滴撞擊平板後濺開的程度，如圖4(d)所示。液滴與液面交互作用的部分，Prof. Castrejon-Pita展示其發展的垂直旋轉裝置，使液滴撞擊在局部水平移動的液池上。實驗結果顯示了諸多有趣的流體力學現象如圖4(e)所示，也激發了與會同學的學習興趣。
演講中不只實驗展示，由其（亦為我們另外計畫的）合作夥伴法國巴黎第六大學 Jean Le Rond d'Alembert研究所實驗室所執行的開放源軟體GERRIS計算也被展示，此成果也給本研究室提供了諸多研究資訊。演講後聽眾回應踴躍。在此次演講的交流基礎下，以3D/噴墨列印專長的廖英智老師也繼續於5月8日與本研究團隊及Prof. Castrejon-Pita中午餐敘討論列印技術的發展及未來合作可能性，其中三方的討論更勝前天演講的互動程度。
英方此次訪臺除了分享研究成果，也參觀了本人負責的流體物理實驗室。過程中英方非常訝異本實驗室製作的玻璃噴嘴精密度，參觀後也表達希望與我方建立噴嘴製造技術的交流平台，我方也釋出善意贈與數支玻璃噴嘴。本年的交流計劃顯示雙方研究已迸出火花，期待未來可以有更多深度的合作關係及學術產出。
█ 圖4 Prof. Alfonso A. Castrejon-Pita於國立臺灣大學工學院公開演講(a)分享液滴產生技術、(b)液滴碰撞液膜後濺開之行為、(c)液滴截斷機制研究、(d)液滴撞擊黏彈性平板的行為研究及(e)液滴撞擊水平移動的液面研究。(f)演講後與潘國隆及張鈞棣教授交換意見
█ 結語
透過此次科技部與英國皇家科學院國際合作人員交流計畫，本實驗室團隊和Prof. Julia Yeomans研究團隊及Prof. A. A. Castrejon-Pita交流，並進一步討論出未來合作的發展方向，充分發揮各研究專長的互補效應，有助於讓兩團隊能在彼此互惠的原則下加速雙方的研究發展。除此之外，我方也於實驗及數值計算呈現初步結果，在下一年計劃將有更深且廣的分析及探討。 
致謝：本文感謝博士候選人黃冠嶺的協助。
█ 圖5英方訪問人員於離開前一天晚上與我方人員餐敘
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