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L3 · 第 6 章

细水流为什么会长成一串水珠

细水流长出一串鼓包,是因为长波起伏能减少液柱的表面积。细颈处的毛细压强较高,液体被推向鼓包,细颈继续变细。短波起伏却会增加面积,表面张力便把它压回去。分界来自液面的几何,黏性主要改变长大的速度。

先把体积固定,再比较面积

一根很长的圆柱,体积一定时,分成适当大小的水珠可以少用一些表面积。可它起初只长出很小的波纹,表面积已经在下降了吗?这个问题不能只看一处细颈,必须把一个完整波长里的液面都算上。

取初始半径 R0R_0,沿轴线用 zz 表示位置。给半径加一个很小的余弦起伏,波数 q=2π/λq=2\pi/\lambda 的单位是长度的倒数。若只加余弦,截面积的平均值会增加;还要把平均半径减去一个二阶小量,才能在比较面积时保留原来的体积。

r(z)=R0[1+ϵcos⁡(qz)−ϵ24]+O(ϵ3)r(z)=R_0\left[1+\epsilon\cos(qz)-\frac{\epsilon^2}{4}\right]+O(\epsilon^3)
余弦的平均值为零,余弦平方的平均值为二分之一;平均半径的修正抵消了截面积增加。
A−A0A0=ϵ24[(qR0)2−1]+O(ϵ3)\frac{A-A_0}{A_0}=\frac{\epsilon^2}{4}\left[(qR_0)^2-1\right]+O(\epsilon^3)
把轴对称面积元中的平方根按小坡度展开,再对一个波长积分。

来源:John W. M. Bush · Eggers & Dupont

两种曲率怎样把液体推向鼓包

定义无量纲波数 k=qR0k=qR_0。上式在 k<1k<1 时为负,也就是波长大于圆柱的周长时,微小起伏能省下表面积。这是 Rayleigh–Plateau 失稳的门槛。起伏很短时,沿轴线的弯曲要花更多面积,起伏便会消退。

从压强看,同一个结论更容易连到流动。细颈绕着轴线弯得更紧,第一项曲率更大;但侧面轮廓也在弯,第二项有自己的符号。短波的第二项足够强,可以反转细颈与鼓包之间的毛细压强差。

对液体凸向气体的圆柱取正曲率。下面恢复有量纲的半径与坐标;下标表示求导。κ\kappa 是两个主曲率的和,单位为 m−1\mathrm{m^{-1}},毛细压强项为 γκ\gamma\kappa。

κ=1r1+rz2−rzz(1+rz2)3/2\kappa=\frac{1}{r\sqrt{1+r_z^2}}-\frac{r_{zz}}{(1+r_z^2)^{3/2}}
直圆柱的轴向曲率为零,曲率和为半径的倒数。侧面轮廓凹凸不同,轴向项的正负随之改变。

来源:Eggers & Dupont

半径和速度必须一起求

细颈失去多少液体,鼓包就得到多少。把流动近似为轴对称、轴向变化缓慢的液柱,截面内的轴向速度在最低阶近似下相同。截面积乘速度给出体积流率,半径平方便成为最方便的守恒变量。

用 R0R_0 作长度单位,用惯性毛细时间 tc=ρR03/γt_c=\sqrt{\rho R_0^3/\gamma} 作时间单位。下面的坐标、半径和速度均已无量纲化。uu 向轴线正方向为正;Oh=μ/ργR0\mathrm{Oh}=\mu/\sqrt{\rho\gamma R_0} 比较黏性与惯性毛细效应。

质量守恒决定半径怎样响应流入和流出。轴向动量方程则比较流体的加速度、毛细压强梯度和黏性拉伸应力。轴对称伸长流的黏性系数带有因子三。这里采用 Eggers–Dupont 方程,保留完整曲率,取重力为零;周期单元不与外界交换体积。

a=r2,∂ta+∂z(au)=0a=r^2,\qquad \partial_ta+\partial_z(au)=0
截面积中的圆周率在守恒式两边相消。整个周期单元内半径平方的积分保持不变。
∂tu+u∂zu=−∂zκ+3Oha∂z(a∂zu)\partial_tu+u\partial_zu=-\partial_z\kappa+\frac{3\mathrm{Oh}}{a}\partial_z(a\partial_zu)
毛细作用沿压强降低的方向推动液体,黏性伸长应力阻碍速度梯度。模型忽略外侧流体应力和分子尺度作用。

来源:Eggers & Dupont

从两条演化方程得到增长速度

在均匀圆柱附近写 r=1+δr=1+\delta,只保留扰动的一阶项。质量守恒给出 δt=−uz/2\delta_t=-u_z/2,曲率扰动是 δκ=−δ−δzz\delta\kappa=-\delta-\delta_{zz}。再对时间求一次导数,把动量方程代进去,就能消去速度。

令半径起伏正比于 estcos⁡(kz)e^{st}\cos(kz),空间求两次导数会带来 −k2-k^2,时间求导会带来 ss。于是增长速度来自一个二次方程。k<1k<1 时一个根为正;增大黏度会减小这个正根,但不改变门槛。

这条色散关系属于一维细长液柱模型。无黏性的完整三维 Rayleigh 理论含有修正 Bessel 函数,有限波数的增长速度会有差别;两者在足够长波时相合。比较数值模拟时,要先选与模拟方程对应的参考解。

s2+3Oh k2s=12k2(1−k2)s^2+3\mathrm{Oh}\,k^2s=\frac12k^2(1-k^2)
正实部表示起伏增长,负实部表示衰减。复数根还表示衰减过程中的振荡。

来源:Eggers & Dupont · John W. M. Bush

完整例题:同样小的起伏,长短为何不同

取 Oh=0.25\mathrm{Oh}=0.25。先给很小的起伏选 k=0.65k=0.65,也就是 λ/R0=2π/0.65≃9.67\lambda/R_0=2\pi/0.65\simeq9.67。二次方程的增长根约为 s=0.225s=0.225,另一根约为 −0.542-0.542。增长分支的振幅每过约 4.44tc4.44t_c 增大到原来的自然常数倍。

若液体起初静止,不能只用增长根:起初半径的变化率也必须为零,需要把两个分支相加。设初始余弦振幅为 0.0100R00.0100R_0,到 t=3tct=3t_c 时,线性解给出约 0.0145R00.0145R_0。把黏度提高到 Oh=1\mathrm{Oh}=1,增长根降到 0.08990.0899。

再把波数改为 k=1.3k=1.3。这时右端为负,在 Oh=0.25\mathrm{Oh}=0.25 下得到一对复根,实部约为 −0.634-0.634。同样从静止开始,经过 3tc3t_c,振幅约为 0.00256R00.00256R_0。短波已经明显平息。

来源:Eggers & Dupont

细颈接近断裂时,线性预测先离场

起伏长大后,波峰不再是缩放后的余弦。鼓包变圆,颈部变窄,更多空间谐波出现;从记录提取的第一余弦分量便逐渐偏离线性参考解。此时仍然可以检查总液体体积,以及表面能与动能的变化。没有外界驱动的黏性模型,总能量应当下降。

浏览器计算把半径平方放在网格单元里,把速度放在单元之间,以流入减流出的方式更新体积。这样,细颈丢掉的体积会进入相邻区域。网格加密可以检查停止前的轨迹是否收敛。

真正断开需要处理新自由表面的产生。当前计算在颈部半径接近网格尺度,或轴向坡度超过规定范围时停止。屏幕上最后一帧给出的是这次计算还能分辨的细颈;换网格、换初始扰动后,可靠比较的应是共同分辨范围内的轨迹。

来源:Eggers & Dupont

先预测,再动手解释

沿着液丝的半径记录比较

  1. 先预测长波与短波谁会长大。比较“细颈越变越细”和“短波逐渐平息”,把观察结果与面积判据联系起来。
  2. 选“小起伏慢慢长大”,观察模拟振幅何时离开琥珀色线性解。上下拖动细颈,改变初始起伏,再比较分开的时刻。
  3. 导出半径记录,用同一时刻的各网格半径平方求和。检查体积怎样保持,再找出停止原因与网格间距。

练习与解释性答案

  1. 把半径固定,波长从 10R010R_0 改为 5R05R_0,线性稳定性怎样变化?

    展开解释

    波数从约 0.6280.628 增到 1.2571.257,跨过门槛。原来的起伏会增长,较短的起伏会衰减。面积比较和线性方程给出相同结论。

  2. 为什么初始速度为零时,不能直接给初始余弦振幅乘一个指数函数?

    展开解释

    单独的增长指数在起始时刻已有非零时间导数。初始静止还要求半径的初始变化率为零,需要同时包含增长和衰减分支;短波时则需要对应的衰减振荡解。

  3. 增大黏度后,哪一项改变了?失稳的波长门槛为什么还在原处?

    展开解释

    黏性伸长应力变大,流动和振幅增长更慢。门槛由固定体积下的表面积变化决定,均匀黏度没有改变这份几何比较。

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. 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。

  2. 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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