多种流体液丝破裂的动力学研究

【摘要】：从喷嘴中流出的液体进入另一种流体后，液丝发生扰动，破裂成小液滴。液丝破裂不仅具有广泛的实际应用，而且液丝破裂过程本身包含着复杂的自由边界问题，本文对此过程进行数学模拟及实验方面的深入研究。 线串珠结构在粘弹性流体中是一种常见现象，在牛顿流体中也模拟出这一结构。模拟的理论框架采用细长液丝的一维长波理论。在此理论基础上分析了线串珠结构的液滴动力学及不同时刻的速率图像。在液丝变化发展过程当中，发现一些有趣的现象，例如液滴的排泄，主液滴和小液滴的迁移。毛细管数与表面张力成反比。随着毛细管数的增加，液滴经历了短暂的变形，最终破裂成更小的部分。随着毛细管数进一步增大，表面张力变小，难以挤压液丝，产生小液滴，主液滴被压缩，液丝破裂可能将表面能转化为动能，从而导致液滴移动。在此基础上，将重力因素考虑在内，观察液丝变化的不稳定性。在重力的影响下，毛细管喷射变得不稳定，下落过程中产生拉伸效应。 采用Oldroyd-B模型对弹性流体中线串珠结构的动力学进行数学模拟。相对于牛顿流体而言，非牛顿流体液丝破裂过程非常缓慢。这种缓慢的破裂过程为流体提供了充足的时间显现一些有趣的现象，例如液滴的排泄和移动。通过主要作用力的总合分析液丝拉伸过程中的受力情况。弹性力在弹性液丝动力学中起重要作用，它显著地阻碍了液丝从拉伸到排泄的变化过程。 模拟了处于外加轴向磁场影响下的磁性液丝，研究其稳定性。考虑了磁场的作用，对液丝的长波理论模型进行必要的修正。研究了不同条件下磁性液丝的变化发展过程和受力情况。揭示了外加磁场的作用。首先，外加磁场减缓了磁性液丝的破裂过程。其次，磁场力类似于非牛顿流体中的弹性行为，在一定程度上抵消了毛细管力。这意味着在轴向外加磁场的作用下，磁性液丝变得更加稳定。 二维模拟中，采用VOF方法跟踪自由表面。VOF模型预测的液丝的最初生长过程与Rayleigh线性理论和长波理论预测的形状是一致的。与一维模型不同的是，当表面变形剧烈时，二维模型仍然有效，甚至在液丝破裂以后仍然有效。 实验是通过氮气减压器控制流速，液体以恒定流速压入毛细管。液体从毛细管中流出，形成液滴。通过高速摄像系统和计算机联用，记录液滴形成的过程；