黏度与表面张力在激光熔化波纹形成中的相互作用

本文建立了暴露于外部激光或粒子束及可变基底的液体表面上的波纹形成模型。由于表面粗糙，外部入射束在此机械耦合到液体表面。从纳维-斯托克斯方程出发，在浅水近似下推导了速度势与表面高度的耦合方程，并特别关注黏度。所得方程满足体积与动量守恒律，其中类比于保守力辨识出重力与表面张力的特征势。结合涉及激光束熔化表面的激光材料加工中的波纹形成背景讨论了近似解。线性稳定性分析给出了由外部束、黏度与表面张力相互作用修正的阻尼波的形成。小黏度极限导致阻尼重力波，高黏度极限导致毛细波。所得波长处于激光焊接实验中出现的波纹量级，暗示其起源涉及流体动力学过程。借助弗洛凯乘子讨论系统对外部周期激励的响应，我们表明波纹形成可由周期性调制的外部束（例如入射激光束适当的重复频率）触发。弱非线性稳定性分析给出了六边形或条纹结构可能出现的范围。条纹结构与波纹的取向被证明依赖于激光或粒子束的入射角，并给出了最小角。数值模拟证实了上述发现并允许描述可变基底的影响。