近日，厦门大学海洋与地球学院李姜辉团队在水下气泡动力学与多相流模拟领域取得重要进展。相关研究成果以 “A model of thresholding bubble coalescence applied to underwater buoyancy-driven gas emission” 为题，发表于国际期刊 Chemical Engineering Science。

该研究针对水下气体释放过程中，气泡聚并行为难以准确描述的问题，提出了一种基于多物理机制耦合的气泡聚并阈值模型。该模型综合考虑气泡接近过程中能量竞争与气泡间相互作用，以及接触阶段液膜排液过程，建立了从气泡接近、接触到最终融合的全过程判据，为气泡羽流模拟中聚并过程提供了一种具有物理解释性的描述方法。

图1. 水下气泡聚并过程及关键控制阶段

研究背景

海洋环境中的气体释放广泛存在于海底天然气渗漏、海洋碳循环以及工程气体排放等场景。气泡在上升过程中经历输运、变形、溶解和聚并等复杂过程，其中气泡聚并直接影响气泡尺寸分布演化，并进一步影响气体溶解效率、声学散射特征以及气体通量估算。现有气泡羽流模型中的聚并过程通常依赖经验关系或统计模型进行描述，难以揭示气泡相互作用过程中的关键物理机制，同时难以统一表征气泡接近阶段与接触阶段之间的机制转换。针对该问题，本研究构建了一种基于能量平衡、气泡间相互作用以及液膜排液过程的多阶段聚并判据，实现了气泡从接近、接触到最终融合全过程的物理描述。

研究结果

研究团队通过综合考虑气泡相对运动产生的惯性动能、表面能变化、范德华吸引作用以及粘性耗散，确定了气泡发生有效接触所需的临界条件，建立了基于能量竞争的气泡接近判据 , 实现了聚并条件与气泡动力学状态之间的关联。

图2. 气泡接近阶段的能量竞争机制

进一步，研究团队建立了气泡相互作用模型，分析了气泡间距、运动方向及相互作用角度对吸引行为的影响。通过引入无量纲间距和几何空间参数，描述不同空间构型下气泡之间的吸引区域，并确定了气泡有效吸引所需的临界条件。此外，研究团队结合液膜排液理论，建立了基于接触持续时间与液膜排液过程的最终聚并判据，实现了从气泡接近到液膜破裂的统一描述。

图3. 气泡接触阶段液膜排液与破裂过程

为验证模型预测能力，研究团队开展了水下气泡释放实验，通过双视角同步成像结合深度学习 YOLO 气泡识别算法， 共 实现了 1 741 组 气泡 对 目标检测与连续跟踪，获得了气泡尺寸、运动轨迹、速度、间距以及接触时间等关键动力学参数，并用于模型验证。

图4. 不同释放方式下的气泡聚并动力学过程

结果表明，上述模型能够有效预测不同尺寸、运动状态及空间构型下气泡的聚并行为，并能够反映气泡间距离、相对速度以及接触时间对聚并结果的影响。

图 5. 气泡聚并理论模型与实验结果对比验证

研究意义及展望

本研究提出了一种面向水下气泡释放过程的物理机制驱动型聚并模型，为气泡尺寸演化预测提供了新的理论框架。该模型综合考虑耦合气泡接近、相互作用和液膜排液等关键过程，建立了气泡尺度动力学行为与气泡羽流尺度演化之间的联系。由于模型中的关键参数具有明确物理来源，故其可进一步应用于气泡解析模型、欧拉–拉格朗日模型以及群体平衡模型中的聚并过程描述。未来，该模型可为海底天然气泄漏模拟、气泡羽流演化预测以及多相流过程中气泡尺寸分布模拟提供物理基础。

研究团队及资助

该论文第一作者为厦门大学海洋与地球学院博士研究生任昕，通讯作者为李姜辉教授。该研究获得国家科技重大专项（编号：2024ZD1406600、2024ZD1406604、2024ZD1406604-11）、厦门市自然科学基金（编号：3502Z202373006）以及MEL内部项目（编号：MELRI2303）的资助。

论文来源及链接

Xin Ren, Jianghui Li, Tianyu Xiao, Daolong Zhou, Xuheng Yang, Fengling Yu, Xiaokang Zhang, A model of thresholding bubble coalescence applied to underwater buoyancy-driven gas emission, Chemical Engineering Science (2026)

https://doi.org/10.1016/j.ces.2026.124683

供稿丨李姜辉教授团队

编辑｜苏颖

审核｜汤立国 曹知勉