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竖直振动激励下半球形液滴界面失稳特性分析

         
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外部激励作用下液滴的表面失稳特性一直都是流体力学领域十分关注的问题.在不同的振动激励参数下,表面会产生不同形态的波形或破碎生成二次液滴.本文对于液滴表面纬向波和经向波发展的动态特性和产生机理开展了研究.首先建立激励振幅和频率可控的液滴振荡实验系统.实验结果表明,激励振幅的改变会影响液滴表面波形,振幅较大时经向波才会产生,演化频率为驱动频率的一半,而纬向波一直存在,其频率等于驱动频率.驱动频率改变会引起失稳模式的转变,驱动频率增加,表面波模态数增加、波长减小.驱动频率超过一定阈值,波形会从只存在纬向波模式向纬向波叠加经向波模式转变.同时,基于三维数值模拟,通过研究液滴的速度场与压力场,结合液滴顶点位移与惯性力的相位关系,阐明液滴形成纬向波的机理:在惯性力和表面张力的共同作用下,液滴表面波完成周期性的能量转化和传递.通过对比分析竖直方向与沿液滴径向加速度下Faraday不稳定性主导的表面波特性,发现液滴的几何特征使得接触线处产生法向的径向力,当竖直惯性力增加使得径向力达到一定阈值,液滴发生经向失稳,相应经向波频率为驱动频率的一半.

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