密度分层中上升液滴的滞留现象
流体动力学
2021-01-04 v2
摘要
在本研究中，我们展示了关于单个油滴穿过两层密度分层上升时滞留现象的的实验结果。这些实验证实了以往文献中观察到的分层中沉降与上升颗粒及液滴显著减速的现象，并且是首个研究单个液体液滴而非固体颗粒的实验。通过追踪液滴在分层流体中上升的运动，我们确定了两个定量描述该减速过程的时间尺度：夹带时间尺度和滞留时间尺度。夹带时间尺度衡量液滴低于其上分层终端速度所经历的时间，并与液滴上升受夹带稠密流体影响的时长有关。滞留时间衡量液滴被延迟到达远离密度过渡区的上阈值所需的时间。发现两个时间尺度均依赖于系统的弗劳德数和雷诺数，Fr 与 Re 。我们发现两个时间尺度仅在 Fr 时显著增大，表明在相对尖锐的分层中捕获动力学源于液滴惯性与浮力的平衡。最后，我们基于速度最小点处的简单力平衡，给出了阻力增强 （最大分层力与液滴相应阻力之比）的理论公式。利用实验数据，我们发现该公式与 Zhang 等人 [J. Fluid Mech. 875, 622-656 (2019)] 关于分层流体中沉降固体球阻力增强的最新理论与计算工作吻合良好，并提供了支持其方法的首个实验数据。
引用
@article{arxiv.1907.04440,
title = {Retention of rising droplets in density stratification},
author = {Tracy Mandel and De Zhen Zhou and Lindsay Waldrop and Maxime Theillard and Dustin Kleckner and Shilpa Khatri},
journal= {arXiv preprint arXiv:1907.04440},
year = {2021}
}