密度差异流体振动界面处的竞争机制

流体-流体界面不稳定性及随后的流体混合在自然界和工程中无处不在。流体界面的流体动力学不稳定性长期以来一直以压力梯度驱动的长波长Rayleigh-Taylor不稳定性和共振诱导的短波长Faraday不稳定性为中心。然而，当两种机制同时存在时，单独的不稳定性均无法解释其动力学行为。我们识别出一种由两者共存产生的前所未见的多模态不稳定性。当较重流体为聚二甲基硅氧烷时，在高密度差异（Atwood数=0.9）下，混合区域跨越的振动幅度范围约为重力加速度的两倍。利用Floquet稳定性分析，我们展示了振动如何控制Rayleigh-Taylor与Faraday不稳定性之间的转换，导致这些不稳定性之间产生竞争而非共振增强。初始瞬态增长表现为最不稳定Floquet指数的指数模态增长及其伴随的周期性行为。直接数值模拟验证了这些发现，并追踪了界面破碎进入多尺度非线性区域的过程。具体而言，我们表明增长的Rayleigh-Taylor模会非线性地抑制Faraday响应，即使Faraday不稳定性的初始增长率是Rayleigh-Taylor的3.63倍，因此双向竞争阻碍了它们的持续共存。