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[一些科普]你有没有想过水滴掉入水中时的飞溅过程是什么样子的(一

[一些科普]你有没有想过水滴掉入水中时的飞溅过程是什么样子的(一

作者: Never肥宅 | 来源:发表于2020-03-25 22:47 被阅读0次

Worthington jets ,暂且叫他沃辛顿射流吧?我也没搜到合适的翻译
这种冲击描述的是一个小物体冲击水面会产生水的飞溅。


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当物体冲击水面时,液体并不是直接包围它的。事实上,水会在物体的冲击附近先形成一个持续时间很短的坑,然后水又会迅速的向原位运动,一些比较凶狠的水滴甚至会冲向空中,变成Worthington jets。


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Drop impact

当液滴撞击固体或液体表面的时候便会产生这种Drop impact现象,其具体的结果则取决于液滴、撞击表面以及附近流体的特性。
对于液滴入水而言,附近的流体便是空气。


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当坠落的液滴有足够的能量时,液体会产生一个环形墙并使得许多液滴飞出表面。这环形墙并不稳定,它的上方还会出现更小的液滴,仿佛水做的皇冠一样。


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在高速冲击下,水皇冠很快关闭然后变成许多泡泡,下雨时很多水坑里出现的泡泡就是这样形成的。
除此之外,就是撞击的水坑中心会形成前文提到过的射流,也会形成向液体周围传播的圆环波纹。

如果撞击的是固体呢?那么雨滴和固体表面相撞或简单的散布在表面上,甚至可能会反弹。当水滴撞击固体表面时,其内部会产生很高的压力,使得液体从液滴的下方喷射,而强膨胀引起的压力下降则会使液滴内部出现气泡。

具体的碰撞情况

由于液滴很小,一般认为液滴由均匀的液体组成,可以通过去热力学状态、表面张力、粘度以及可压缩性来描述。
大多数的理论和数值计算都基于水滴是球形的假设,毕竟太复杂了就不会算了。


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当液体下落时,周围流体和液滴间的相互作用会引起液滴内部的震荡,因此周围气体的密度和压力对撞击产生的水中空腔影响十分大。


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如图中所示,漂浮,反弹,聚结和飞溅是常见的情况。
液滴是结合函数反弹与液体本身有关,如果大部分撞击能量都损失在形成水坑的过程中(比如你加点肥宅或牛奶),剩余的能量便不足反弹,但是如果韦伯数足够小,单滴弹跳的概率便大大增加了。
当液滴反弹时,两种液体会形成接触,是反射的液滴比入射的小,因此也叫部分结合。
当斜向发生碰撞时,微小的条件改变都会影响是反弹还是聚结的结果。Javaratne等人的实验表明,对于较大的液滴,随着撞击角的增加,会出现弹跳到凝聚的转变。


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那么到底是怎么让他凝聚呢?就需要让液滴和液体表面的气体层破裂,1960年Schlotland测定了不同气体密度下液滴聚结的临界高度,结果表面临界高度随气体密度与液体密度之比的增大而增大,所以我们在气体密度大的地方上厕所更不容易溅起水花。
在1988年,Hsiao等人重新考虑了飞溅的极限韦伯数。利用表面张力效应的时间尺度
\tau_1 = (\rho D^3/\sigma)^{1/2}与对流时间尺度 \tau_2 = D/v定义韦伯数,通常取
We = (\tau_1/\tau_2)^2
如果韦伯数远远小于1,对流时间太长,撞击中水滴很容易变成涡流环,而如果韦伯数远远大于1,则说明表面张力用来给液滴塑形的时间太短了。
因此韦伯数是很好的判定飞溅还是聚合的参数

啊先写到这里吧剩下的明天再说

参考文献

[1] Rioboo, Romain, Cameron Tropea, and Marco Marengo. "Outcomes from a drop impact on solid surfaces." Atomization and Sprays 11.2 (2001)
[2] Rein, Martin. "Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces." Fluid Dynamics Research 12.2 (1993): 61-93

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