轴对称表面重力波的喷流形成与坍缩动力学：耦合 3D 势流与 SPH 模拟

轴对称波动在广泛的尺度范围内发生。本研究分析了大尺度引力主导的轴对称波动，其中喷流高度可达 6 米，表面张力效应可忽略不计。Bond 数为 $O(10^5)$，Weber 数范围为 $O(10^4)$ 至 $O(10^6)$。我们的目标是阐明高度非线性轴对称喷流形成、空腔坍缩及随之而来的次级喷流发生的动力学。新开发的三维框架 OceanSPHysics3D 将不可稳定势流与平滑粒子流体动力学耦合，实现了喷流初始化和坍缩的完整模拟。计算得到的自由表面高度和喷流演化与 McAllister 等人（Journal of Fluid Mechanics, 2022）的实验结果以及 Longuet-Higgins（Journal of Fluid Mechanics, 1983）的解析喷流尖端角度公式一致。模拟阐明了主要喷流的坠落如何诱导出次级喷流。形成预喷流槽谷和后喷流空腔的机制根本不同。预喷流槽谷源于沿特定方向的波动聚焦，经过适当缩放后呈现自相似形状；相比之下，后喷流空腔由不断的喷流坠落产生，不具备空间或时间自相似性。其坍缩也不同：空腔在颈部被切断，产生向上和向下的次级喷流，局部加速度可达约重力的 150 倍。主要喷流的尺度决定了随之而来的次级喷流动力学，包括涡环形成和强烈垂直混合。这些发现揭示了轴对称喷流动力学的复杂性，同时展示了当前框架能够再现此类极端自由表面事件中关键耦合过程的能力。