空腔塌陷后沃辛顿射流的产生与破碎

借助对其实验数据的仔细分析,Worthington (1897) 大致描述了轴对称固体撞击气液界面后产生的高速射流的机制。在这项工作中,我们将详细的边界积分模拟与解析建模相结合,描述了两种常见物理系统中此类沃辛顿射流的形成和破碎:圆盘撞击液面以及水下喷嘴释放气泡。我们首先表明,使用我们之前在 Gekle, Gordillo, van der Meer 和 Lohse. Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 中的模型,可以预测这两种系统的射流基部动力学。然而,我们的主要目的是提出一个模型,使我们能够准确预测整个射流的形状。发现与数值模拟和一些实验数据吻合良好。此外,我们发现,与 Rayleigh 研究的真空中液体圆柱的毛细破碎相反,在韦伯数和雷诺数都很高的情况下,拉伸液体射流的破碎并非由来自外部噪声源的扰动增长触发。相反,射流破碎是由于尖端处液体的毛细减速导致射流形状产生波纹。这种由流动自诱导的扰动将在时间上增长,并由毛细机制促进。我们能够预测固体物体撞击后产生的沃辛顿射流的精确形状演化——包括由于表面张力驱动的不稳定性而从尖端喷射出的小液滴的尺寸——仅使用空腔的最小半径和射流出现前的流场作为单一输入参数。