摇动装满理想液体的容器;一个可处理情形——环面壳层呈现虚拟壁
流体动力学
2023-11-02 v1
摘要
操纵(‘摇动’)一个从静止开始充满不可压缩液体的刚性容器,通常会导致其中液体发生某种位移或混合。若液体同时具有零粘性,即‘理想’或 Euler 液体,Kelvin 定理会极大地简化流动分析。响应是瞬时的;停止容器则所有液体运动停止。事实上,任意操纵可视为容器交替的无穷小平移与转动。相对于容器,液体在每次平移期间静止。无穷小转动(沿转动轴的无穷小矢量)在容器坐标系中分解为三个正交分量。每一个都生成其自身的无穷小液体位移矢量场。然而这些极少可处理,且其组合后果模糊不清。与三维体积流相比,表面流要容易得多:液体在壳层中自由滑移,夹在两个具有恒定无穷小间隙的嵌套闭曲面之间。闭曲面的封闭性避免了额外边界。二维性允许由容器角速度矢量决定的标量流函数。任意操纵容器角速度,会导致(除球体外)液体面积保持重构的极其丰富多样性。即便对于球体,液体的任意选定点在壳层容器坐标系中可移至任意其他点,且一般而言预期如此。然而,对于孔足够小(直径<0.195 环面直径)的环面,存在一个虚拟壁,即与环面相交的假想轴向圆柱。无论环面如何被操纵,圆柱内液体留在内;外液体留于外。
引用
@article{arxiv.2311.00576,
title = {Shaking a container full of perfect liquid; a tractable case, a torus shell, exhibits a virtual wall},
author = {J. H. Hannay},
journal= {arXiv preprint arXiv:2311.00576},
year = {2023}
}