黏性涡环的失稳与多级分叉行为

为了探究液滴撞击液池形成涡环的长期演化行为,以不同浓度的甘油水溶液为对象,研究其在滴入水池后的形态变化,通过高速摄像机对整个过程进行捕捉,发现其由初始液滴形态转变为涡环再到涡环失稳的一系列演化行为,之后分析其失稳与分叉的变化规律与主要影响因素。最后建立了涡环下沉速度的物理模型并进行了数学推导,建立了涡环前锋与尾部的运动无量纲表达式。研究表明,液滴入池后形成的涡环均不会一直稳定生长,而是在某一时刻发生失稳,失稳时刻与液滴本身属性有关。涡环解体为数个下沉的“手指”,在其下沉一定距离后,“手指”前锋沿其运动方向的垂向发生分叉,分叉后继续下沉,并重复出现自相似的分叉行为,且新产生的分叉前锋开始会获得一定程度的相对加速,最终涡环分解为一簇形如“皇冠”的分叉树。自始至终,其前锋与尾部运动均符合衰减运动的规律。本文对于由液滴撞击液池形成的涡环在池中的演变过程进行了时间和空间的拓展,且其由稳定涡环到突然失稳从而转变为分叉树的行为对流体中最复杂的湍流现象的形成机理具有一定的启发意义。