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Sandbox Physics
动态界面

FR18

动态界面

水滴会变圆,薄涂层会缩成斑块,细水柱会长出越来越窄的颈。同样的表面张力,为什么有时抹平起伏,有时又让起伏长大?顺着曲面形状和液体流向一步步推下去,就能看见其中的区别。

从一滴水走到研究论文

第一章从界面能、曲率和润湿入门。第二至四章逐步建立薄膜流动、失稳与接触区正则化;第五章加入外加温度场,第六章另起轴对称液丝模型并保留惯性。最后两章学习怎样判断一次计算是否可信,再把结果与论文放在一起读。

第二至四章需要导数和积分,第三章会先解释 Fourier 振幅再使用。温差支线读过第一、二章即可进入;液丝支线需要第一章和第二章的质量守恒。 共同教材计划

  1. L1 · 1

    表面张力为什么能把水拉成珠

    从增加一小块界面所需的功出发,认识曲率压差、接触角与毛细长度。

  2. L2 · 2

    把一层液体的运动收进高度方程

    从薄膜里的速度分布推导守恒通量,解释为什么膜厚以三次方影响流动。

  3. L2 · 3

    噪声里哪一种波长会先长大

    在线性稳定性推导中加入润湿能,从高度记录提取增长率,再预测最先显现的间距。

  4. L2 · 4

    液滴边缘怎样越过固体表面

    从移动接触线的困难出发,推导前驱膜模型的润湿势、平衡角和能量耗散。

  5. L3 · 5

    温差怎样让液面流动

    从冷热液面之间的拉力差推导 Marangoni 速度和薄膜通量,算出表层流动与内部回流。

  6. L3 · 6

    细水流为什么会长成一串水珠

    从固定体积的面积比较推导液柱失稳,再用守恒的细长液柱模型跟到断裂前的细颈。

  7. L3 · 7

    细颈越来越小,计算什么时候该停

    用体积、能量、网格收敛和物理尺度判断界面计算,理解数值停止与真实断裂之间的距离。

  8. L4 · 8

    从增长率读到纳米薄膜的涨落谱

    复算 Thiele 的图 1,核读 Eggers–Dupont 的色散,再比较强滑移与热涨落论文中的观测量。

三种会动的界面

静态毛细实验提供平衡起点,三个动力学实验保存各自模型生成的记录。薄膜采用一维小坡度模型,液丝采用轴对称模型;到达注明的适用极限时计算停止。 先看静态润湿

来源与计算范围

例题与示意图由课程编写。论文比较复算指定解析关系;阅读指南另行解释实验照片与分子模拟各自回答的问题。

  1. Huh & Scriven, Hydrodynamic model of steady movement of a solid/liquid/fluid contact line, J. Colloid Interface Sci. 35, 85–101 (1971)

    尖锐移动接触线配合无滑移条件导致应力与耗散发散。课程解释标度原因,没有复算完整楔形解。

  2. Yixin Zhang, Linear stability theory and molecular simulations of nanofilm dewetting with disjoining pressure, strong liquid–solid slip, and thermal fluctuations, J. Fluid Mech. 996, A19 (2024)

    对照已发表版 DOI 10.1017/jfm.2024.701,核读图 3、4 与第二、四、五节,分清滑移标定与系综谱。这部分为阅读指南;没有复现分子数据或强滑移随机曲线。

  3. John W. M. Bush, Surface Tension Module, MIT lecture notes

    第一讲第 1.1–1.3 节:界面能、法向与切向应力、毛细标度。教学来源;本课程例题另行计算。

  4. Oron, Davis & Bankoff, Long-scale evolution of thin liquid films, Rev. Mod. Phys. 69, 931 (1997)

    已发表的长波约化综述。实际采用的方程进一步用下列可读作者稿逐式核对。

  5. U. Thiele, Thin film evolution equations from (evaporating) dewetting liquid layers to epitaxial growth, J. Phys.: Condens. Matter 22, 084019 (2010)

    作者提供的已发表论文:式 (1)–(3)、第二节势函数、式 (5) 与图 1。复算限于解析线性色散;图 2、3 的非线性延拓分支作为阅读内容。

  6. Bowen, Sur, Bertozzi & Behringer, Nonlinear dynamics of two-dimensional undercompressive shocks, Physica D 209, 36–48 (2005)

    第二节式 (2.1) 给出热应力、重力与毛细通量。浏览器模型取水平基底、外加温度场,保留热应力与毛细项。论文中的斜面前沿与实验照片不在复现范围。

  7. Eggers & Dupont, Drop formation in a one-dimensional approximation of the Navier–Stokes equation, J. Fluid Mech. 262, 205–221 (1994)

    arXiv:physics/0110081v1 是 1994 年论文后来存入的版本。核读第二节式 (17)–(18)、曲率式 (15)、色散式 (27)–(32) 及图 1 的水射流条件。课程计算周期细丝基准;喷嘴实验和卫星滴留作论文阅读。

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