模式形成在一个旋转气缸部分充满液体和颗粒介质

文摘

本文着重于液体和颗粒动力学的实验研究中在一个快速旋转的卧式气缸。在腔框架重力场执行旋转并产生振荡液体流,负责该系列小说的影响;问题对应”振动力学”代振动力场的稳定流动和模式。介绍了实验研究的初步结果的小说模式形成的影响观察到流体和沙子和之间的界面以波动的形式沿旋转轴延伸。实验研究的初步结果小说的影响模式形成液体之间的界面和沙波纹的形式沿旋转轴延伸。空间的模式研究了液体体积的依赖,粘度和转速。长时间动力学的实验研究的模式形成体现普通波纹转变成一系列的沙丘在几分钟或几十分钟。各种模式是由两种类型的液体流动的相互作用引起的重力:砂表面附近振荡和方位稳定流动。

1。介绍

液体和颗粒介质的动力学在快速旋转卧式气缸是实验研究。在一个快速旋转圆柱形液体和颗粒介质涂层圆柱墙下离心力。重力的存在,在一个方向垂直于旋转轴,结果在一个稳定的微扰架实心液体的运动:中央空调下面列有其轴的轴线旋转气缸。这导致液体执行强制方位振荡腔的框架。此外,依照[1),惯性波具有不同方位和轴向波数可以兴奋在环形液层。这些波的实验观察旋转率低,也就是说,强烈的扰动重力的影响(2]。

惯性波在液体和颗粒介质生成密集的振荡,使液化后者。它是已知的3,4]附近振荡液体流平的沙层爆发引发常规模式的形式波纹垂直于轴的振动。在自然界中,沙波纹形成在海床来回运动的液体。虽然这些模式的形成已经研究了很长一段时间,主波长选择机制还不清楚。在各种实验模式形成liquid-sand接口发现空间涟漪流体振荡的振幅成正比吗(5- - - - - -8]。表面波也产生稳定液流方向的传播(9),让涟漪在沙床上连续漂移(10,11]。在自然界中,漂移的模式是由风引起的在沙漠或水河。

因此,讨论物理问题的担忧下的模式形成集成振荡和单向流体流动的影响。这些流动的重要性在临滨,货架上,等等。尽管流动相结合的重要性,我们理解床的形式生成的这种流动是相当有限的。特别是,由于大陆架的复杂性,需要大型实验室蓄水,表面波的影响知之甚少。通常报道,沙丘所产生的潮流下游迁移。然而,结合振动波的坦克和单向流体流动可能引起下游和上游沉积物沙丘(12]。在实验中(13]作者研究了波纹的迁移和漂移速度的估计数字。此外,作者跟着涟漪从最初的动态演化平底配置平衡态下一波槽表面波传播。

另一方面液体和颗粒介质相互关联和液体运动是受颗粒介质分布的影响。例如,实验(14]表明,即使是少量的重示踪剂可以显著改变液体的动力慢慢旋转的卧式气缸。评审(15)认为模式形成的理论和实验研究的结果转筒颗粒介质的流动。最令人惊讶的结果的研究发现的14和光线16中性浮力的粒子和示踪剂(17显示一个旋转圆筒内轴向分离的倾向。理论(18,19)解释了浮力的隔离粒子的轴向脉动的有效粘度液体。然而,作者认为,这个理论并不能解释所有现象的特性。提到的现象观察到颗粒的多相系统中,慢慢旋转筒内液体和气体。在这种情况下,离心力不足以使离心液体和几乎整个体积的液体和沙子在缸底。

本文专注于液体和颗粒介质的动态快速旋转缸内液体时(砂)几乎形成了一个统一的环形层。这种几何的优点是它允许避免影响结束,强烈影响测量的实验研究。根据转速轴向或/和方位流体振荡的框架旋转圆柱形重力下感到兴奋。这些振荡可以诱导3 d救济在沙滩上睡觉。摘要我们专注于纯方位振荡和学习常规涟漪沿旋转轴延伸。认为物理问题是有点类似于流体和颗粒介质之间的界面稳定性问题在一个振荡单元(5]或单向剪切流的影响下在一个固定的容器(10]。

波纹的出现在沙床上是可能的,如果只能够移动颗粒在流体剪切应力。剪切应力的大小特征是盾牌之间的比率,它是谷物和明显的体重上的剪切力。具体讨论的问题是盾牌的可变性的特征参数在此期间的汽缸旋转由于依赖sand-liquid角界面上的剪应力重力场的倾向。

2。实验技术

调查中使用的实验装置旋转腔模式形成的图所示1。透明的圆柱1的长度cm和内半径厘米水平安装在滚珠轴承,安装在一个坚硬的站2。气缸驱动步进电机以恒定转速的3。旋转的角速度范围从0到50Ω各不相同。

圆柱体的后墙的中心有一个洞装满液体和颗粒介质。实验进行water-glycerol混合物;粘度变化范围从1到10个春秋国旅。液体的数量特征是相对填充(是流体体积,是一个空腔体积)的变化范围从0.1到0.4。颗粒介质由玻璃球体的直径= 0.15 -0.25毫米和密度克/厘米³;质量颗粒介质等于125或250克。

细胞记录的图像通过数字照片相机尼康D40 4定位面临着透明的侧壁。为了提供高质量的液体和沙子的横截面图像细胞被灵活的领导带圆柱周围的墙。这些图片是为了探索惯性波的动力学分析的自由表面液体和时空演化模式liquid-sand接口。在某些情况下,需要测量波传播的速度和液体自由表面被频闪的灯。

每个实验类似协议。气缸设置在一个快速旋转流体和沙子放入架实心旋转状态。然后,我们降低转速通过Ω步曲”所需的价值之一。由此产生的流体通常在几数以百计的平衡缸革命。然后进行流动成像。

3所示。实验数据

3.1。惯性波和模式的形成

气缸是静止的,液体和沙子在游泳池底部的圆柱。当气缸低到中度的角速度旋转的上升边拖出一个薄膜液体从池中。重力的作用在旋转液体的动力学特征是无量纲的加速度,在那里是液体的自由表面半径在轴对称的架实心旋转,重力加速度。当圆筒旋转足够快,所以重力小于离心力的影响,整个池的液体和颗粒介质分配自己形成两个几乎均匀环形层整个气缸的内表面涂层。按照(1),环形液层是稳定的。

在实验的开始圆筒旋转以足够快的速度和液体和颗粒在旋转坐标系中休息。的减少(增加的)提高的结果迫使方位液体重力引起的振荡,振荡频率等于缸转速。在相对较大的振动的固有频率可以兴奋。自然振荡频率取决于流体体积(1]。在研究范围内相对填充与无量纲方位惯性波波数在这里观察,,方位是表面波的波长。例如,如果我们观察两个波的波峰(图2 (b)),那么方位波的波长和。在大多数研究的范围= 0.23 - -0.29重力诱导与方位二维波浪波数等于1或2(图2)。波剖面取决于方位坐标:最大的偏离平衡位置时的顶端细胞重力和惯性力是相反的。惯性波在讨论配置的详细研究表明,波传播的速度取决于转速Ω的Ω,波振幅增加而减少20.]。

而转速高惯性波的振幅很小,liquid-sand接口保持原状。然后旋转速度逐渐降低获取临界值沙波纹的出现。实验证明所需的时间达到quasistationary状态的模式形成的阈值是几分钟的顺序(或~ 10³气缸的革命)。上升速度,普通模式的形式压扁波纹沿旋转轴(图扩展3)。根据观测的沙床上,第一个干扰占领只有几个百分点的沙子和传播都在几分钟内;身高和方位的涟漪不断改变直到到达quasistationary状态。观察结果表明,波纹固定在旋转坐标系。在吹毛求疵的领域压扁波纹改变正弦波纹沿旋转轴(图扩展4)。观察结果表明,这是必要的时间的增长规律的正弦模式是缩短。注意,在讨论实验的涟漪是对称的。

正弦波纹的长期行为是复杂的和将讨论部分3.2。这里,我们注意到正弦波纹保留quasistationary形式在一定的时间内,然后转变成一系列不规则的模式。如果不规则模式达到的状态,然后我们进一步降低转速的正弦波纹从来没有出现。后续研究的常规模式是可能的一个环形层崩溃后再重新启动滚筒旋转。

以下我们讨论实验结果研究最多的范围。波长的实验说明quasistationary状态=(平面砂床和半径是波纹的数量)是相对独立的填范围吗-0.29 = 0.23,随粘度的增加(图5)。实验数据证明涟漪Ω的上升与下降。

注意,模式形成的阈值角速度取决于液体粘度:少粘性液体的涟漪在更高的转速上升。角速度的减少对应的增加无量纲加速度因此增加重力的影响。在一个缓慢的旋转环形液层变得不稳定和崩溃:普通模式消失。

3.2。长时间演化的涟漪

图中给出的实验数据5开始后的最初几分钟内得到的涟漪。根据观察常规正弦波纹保留quasistationary形状仅在几分钟内,转变成一系列不规则的沙丘(图6)。一个值得注意的事实是,在浅液体层自由表面弯曲是由于沙层概要文件(图的影响6 (b))。

压扁的长时间行为,研究了正弦波纹使用图如图7和8。时空图说明长时间进化的正弦波纹吹毛求疵的域(图8)要复杂得多比压扁波纹上升的进化模式形成的阈值(图7)。在一起的数据7和8说明在吹毛求疵的域常规模式上升速度远远超过在阈值附近。让我们说定期正弦波纹上升后大约30年代开始后的实验和普通压扁波纹大约出现在100年代。注意,压扁波纹是固定在旋转坐标系:微不足道的随波逐流周长是观察到在第一分钟的实验。

为了区分不同阶段的波纹形成我们引入无量纲时间,在这里是一个圆柱革命的时期。根据图7在外表普通模式的阈值至少保持形式。另一方面,定期在吹毛求疵的领域保持形式,除非涟漪(图8)。图8体现正弦波纹保持常规的形状在旋转坐标系;然而,如果大于10³然后规则模式转变成一系列不规则的沙丘(图6 (b)),他们开始漂移。请注意,两个实验证明的波长几乎是常数时间和常规模式可以被测量的初期实验,也就是说,除非吗。数据的实验数据5和10在讨论的时间了。

4所示。讨论

波纹的出现在沙床上是可能的,如果只能够移动颗粒在流体剪切应力。剪切应力的大小特征是盾牌参数之间的比率,它是粘性剪切力的谷物和明显的体重。

我们能够估计盾牌参数颗粒在沙床上的旋转圆柱形液体。在旋转坐标系颗粒在重力的作用下,浮力,离心力和粘性剪切力。在一个快速旋转的圆柱体,引力远小于离心力,无因次加速度数量级10吗⁻¹(图9),重力可以忽略。然后,离心力将颗粒固定在沙滩上睡觉,而粘性剪应力沿界面。近似表示,盾牌参数可以表示形式 在哪里是剪切流体流动的速度在沙床上,是流体的密度,是径向坐标。应该记住,剪切流的叠加引起的强迫振动和振荡流表面波。强迫振荡的方位速度快速旋转的圆柱体在非粘性的极限了(1]:,在那里是正常的液体之间的界面的夹角和沙子和垂直轴。注意,剪切流的最大速度在顶部和底部的轨迹,在和。

我们能够计算出盾牌参数假设液体执行强迫振荡。这种假设是有效的在脉动形成的阈值,当观察到表面波的振幅小。在重力下,液体弧度的振荡频率等于角速度旋转:。由于粘度、斯托克斯边界层的厚度存在液体之间的界面和砂床。然后,数量级的吗和公式(1)的形式

公式(2)演示了可变性的盾牌数量同期缸旋转由于剪切应力依赖在重力场sand-liquid界面倾斜的角度。然后,我们计算盾牌参数的最大值,在或。我们可以使用的值,,获得的图5。在强迫振荡的情况下,我们应该选择最右边的图中的数据。根据计算,盾牌参数。公认的盾牌数量的典型值出现粮食的文学运动(21]。因此,在革命的某些阶段颗粒能够沿着沙床和参与波纹的形成。

强化流体剪切流诱发的流化颗粒介质的上层。流化颗粒介质的行为类似于液体。媒体的振荡运动引起Kelvin-Helmholtz不稳定(22]这是紧随其后的是常规的涟漪沿旋转轴延伸。

在各种实验模式形成liquid-sand接口发现空间涟漪流体振荡的振幅成正比吗;因此(5- - - - - -8]。在实验中关注波纹油箱形成一波的影响下结合流体流动证明(12]。维持的结果是获得问题的沙子和液体之间的界面的稳定腔受到切向振动(例如,3,4])。

我们能够估计参数阈值的波纹形成假设下振幅的振荡流波过程引起的强迫振荡的振幅要小得多。在吹毛求疵的地区,表面波密集的和使用的假设可能是无效的。然后,振幅的流体速度可以通过公式计算。在这里,我们专注于强迫振荡;因此,频率等于旋转速率Ω,振幅。实验数据在脉动形成的阈值(最右边的数据图5)表明,参数几乎是2,同意定性数据(12]。

让我们考虑波过程的影响模式形成在沙滩上睡觉。实验数据证明沙波纹的发展是受液体动力学的影响。据观察,涟漪上升惯性波的存在。测量的观测是辅以Γ惯性波的激发和提高阈值的依赖的涟漪(图9)。Γ非单调的依赖关系波激发的阈值是由共振强化液体振荡和详细研究2]。可以发现,涟漪遵循波激发的外观;独家涟漪在范围的行为:普通模式上升比惯性波速度较慢的旋转。我们的主要目的是研究流体动力学和模式形成的相对填充。

在一个旋转的惯性波的详细研究汽缸(20.)它是发现,在相对较浅的液体层诱发重力惯性波的方位波数类似于图所示2(一个),在更深的layers-waves(图2 (b))。在实验中各种大量的沙子发现曲线略有变化沿轴”“与一见图并保存相似之处9。所以,相对填充附近我们发现从惯性波的变化波与。常规的实验数据分析波长涟漪专属领域显示,是由无量纲参数,在那里无量纲速度是基于一个圆柱体半径(图10)。粘性边界层的厚度介绍了作为波长的单位。

它是已知的2,23),在充满液体的卧式气缸部分惯性波生成稳定的流动的方向传播。在讨论实验中重力产生方位波,因此液体执行方位运动。液体流动的速度成正比(2]。虽然Γ方位液流强度小振荡流相比,定期模式是固定在波纹增长的阈值(数据3和7)。

的增加(减少Ω)是紧随其后的是强化方位流动和迁移的出现不规则的沙丘。时空图8表明,沙丘没有固定在旋转坐标系,在方位方向漂移。它可能发生如果液体和沙参与额外的单向流动。显然,我们处理类似于漂移现象下的沙漠沙丘风和底部沙丘下水流的影响。研究问题的单向方位电流所产生的表面波,并观察沿圆周沙丘迁移。令人惊讶的是,沙丘在图的方位漂移8对单向流动的电流。根据图8约后,不规则的沙丘从一开始的实验和迁移速度约为10¹毫米/秒。影响upstream-migrating砂是一种相当奇怪的现象;然而,在实地测量的过程中发现(24和观察到的实验12,13]。在后一种情况下,沙丘下产生振荡和单向流体相似模式形成的研究问题在旋转气缸下重力。发现下游和upstream-migrating沙丘不同的概要文件和不同类型的沙丘之间的过渡依赖于振荡和单向流动速度。异常的影响沙丘迁移与流体在重力旋转气缸是有趣的,需要进一步调查附近的液体流砂床。

浅的模式形成和深度层的液体需要详细研究。根据观察与浅初步测试层砂表面的涟漪占领只有几个百分点。在厚环形层,在自转速率的研究范围,我们从未获得流体的旋转架实心,观察表面波和方位液体流动。这些流诱导固定沙丘沙床上后转变成不规则的涟漪汽缸的几千人的革命。显然,沙丘的波长是由单向方位流而非振荡流的强度。因此,测量的波长范围的结果不同意经验定律在图10。

5。结论

液体和颗粒介质的动力学在快速旋转卧式气缸是实验研究。发现轴对称的砂床是不稳定的常规模式的出现波纹的形式沿旋转轴延伸。激励的模式形成与惯性表面波和相应的稳定流动引起的外部力场;因此这种现象属于“振动力学。“本质上,这些流临滨的重要性,沙漠,货架,等等。在液体体积的大部分研究范围的波长普通波纹是由无量纲参数决定的。涟漪的长期动力学是研究和发现复杂:涟漪保存形式在几分钟或几十分钟,变换的一系列不规则的沙丘。两种模式之间的转换是由激励产生的稳定的方位流方位进步的浪潮。沙丘系列的执行缓慢的方位漂移;这一现象的本质还不清楚,需要进一步研究液体速度剖面。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

工作完成的战略发展计划的框架内PSPU(项目048米)和部分由教育部烫的地区(项目C26/625)。

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