受迫同轴气-水射流中的气泡形成机制

我们报道了轴对称气-水射流中周期性鼓泡机制的详细实验表征，其中当上游供气腔的压力周期性调制时，内部气流受迫。当强迫压力幅值大于某一临界值时，气泡形成过程由所选频率有效驱动，形成近乎单分散的气泡，其体积随强迫频率增大而减小。我们揭示了在有效强迫条件下存在两种不同的破裂模式M1和M2。模式M1中的气泡形成类似于自然鼓泡过程，其特征为附着于喷射器的空气细丝的初始径向膨胀，其初始长度小于由振荡气流量引起的小界面扰动的波长。膨胀阶段之后是细丝塌缩阶段，该阶段以初始颈缩的形成开始，颈缩向下游传播同时径向向内塌缩，导致新气泡的掐断。由于强迫系统引起的气流量调制，这两个阶段比未受迫情形发生得更快。破裂模式M2发生在完整细丝长于一个扰动波长时，此时界面在掐断处已呈现局部颈缩区域，并导致从拉长的空气细丝顶端形成气泡而无膨胀阶段。由实验数据推导出了以相关控制参数为函数的气泡体积、完整细丝长度以及从M1到M2转变的标度律闭式表达式。