Трансляционные колебания цилиндрической капли в ограниченном объеме жидкости

Автор: Алабужев Алексей Анатольевич

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 4 т.9, 2016 года.

Бесплатный доступ

Рассматриваются собственные и вынужденные трансляционные колебания капли жидкости, окруженной другой жидкостью, в цилиндрическом сосуде конечного объема. В равновесном состоянии капля имеет форму цилиндра и ограничена в осевом направлении двумя параллельными твердыми поверхностями. Учитывается динамика линии контакта трех сред (капли - жидкости - твердой поверхности), а именно скорость движения контактной линии, пропорциональная отклонению краевого угла от его равновесного значения. На сосуд с каплей действует вибрационная сила, которая направлена вдоль оси симметрии капли. Показано, что основная частота трансляционной моды собственных колебаний обращается в нуль, начиная с некоторого значения параметра Хокинга. Повышение плотности капли или радиуса сосуда приводят к росту частот собственных колебаний. Значения частот тяжелой капли (то есть капли с плотностью, большей плотности окружающей жидкости) также растут с увеличением относительного радиуса капли, а в случае легкой капли - уменьшаются. Обнаружены резонансные эффекты для вынужденных колебаний. Установлено, что амплитуда колебаний линии контакта всегда конечна, но амплитуда колебаний боковой поверхности стремится к бесконечности при предельном - нулевом - значении параметра Хокинга. Выявлены «антирезонансные» частоты, при которых отсутствует отклонение линии контакта от равновесного положения при любых значениях параметра Хокинга.

Еще

Цилиндрическая капля, трансляционные колебания, собственные колебания, вынужденные колебания, движение линии контакта, условие хокинга

Короткий адрес: https://sciup.org/14320825

IDR: 14320825   |   УДК: 532.5.032   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.4.38

Translational oscillations of a cylindrical drop in a bounded volume of fluid

We consider the eigen and forced translational oscillations of a fluid drop surrounded by another fluid in a cylindrical vessel of finite volume. The drop is cylindrical in equilibrium and bounded axially by two parallel solid planes. Our approach takes into account the contact line dynamics of three continuous media (drop-liquid-solid surface), namely the velocity of the contact line proportional to the deviation of the contact angle from its equilibrium value. The Hocking’s parameter (so-called wetting parameter) is the proportionality coefficient in this case. A completely pinned contact line (so-called pinned-end edge condition) corresponds to the limiting value of Hocking’s parameter, which tends to zero. Hocking’s parameter tends to infinity in the opposite case of the fixed contact angle. The solution of the boundary value problem is found using Fourier series of Laplace operator eigen functions. The vibration force is directed along the symmetry axis of the drop. It is shown that the fundamental frequency of the translational mode of free oscillations vanishes at a critical value of Hocking’s parameter. Increasing the density of the drop or the radius of the vessel leads to the growth of the frequencies of eigenoscillations. The frequencies of the heavy drop (i.e. the drop having the density greater than that of the surrounding fluid) also increase with increasing relative radius of the drop, and for the light drop they decrease. We have revealed the existence of resonance effects for forced oscillations. The oscillation amplitude of the contact line is always finite, but the oscillation amplitude of the drop lateral surface tends to infinity in the zero limit of Hocking’s parameter. There are “anti-resonant” frequencies at which no deviation of the contact line from the equilibrium value is observed for any values of Hocking's parameter.

Еще

Список литературы Трансляционные колебания цилиндрической капли в ограниченном объеме жидкости

  • Henderson D.M., Miles J.W. Surface-wave damping in a circular cylinder with a fixed contact line//J. Fluid Mech. -1994. -Vol. 275. -P. 285-299.
  • Slobozhanin L.A., Shevtsova V.M., Alexander J.I.D., Meseguer J., Montanero J.M. Stability of liquid bridges between coaxial equidimensional disks to axisymmetric finite perturbations: A review//Microgravity Sci. Technol. -2012. -Vol. 24, no. 2. -P. 65-77.
  • Любимов Д.В., Любимова Т.П., Иванцов А.О. Влияние вибраций на гидродинамику расплава при выращивании кристаллов бесконтактным методом Бриджмена//Вычисл. мех. сплош. сред. -2011. -Т. 4, № 4. -С. 52-62.
  • Mampallil D., Eral H.B., Staicu A., Mugele F., van den Ende D. Electrowetting-driven oscillating drops sandwiched between two substrates//Phys. Rev. E. -2013. -Vol. 88. -053015.
  • Kumar S. Liquid transfer in printing processes: liquid bridges with moving contact lines//Annu. Rev. Fluid Mech. -2015. -Vol. 47. -P. 67-94.
  • Картавых Н.Н., Шкляев С.В. О параметрическом резонансе полуцилиндрической капли на осциллирующей твердой подложке//Вестник ПГУ. Серия: Физика. -2007. -№ 1(6). -С. 23-28.
  • Демин В.А. К вопросу о свободных колебаниях капиллярного моста//МЖГ. -2008. -№ 4. -С. 28-37.
  • Алабужев А.А., Любимов Д.В. Поведение цилиндрической капли при многочастотных вибрациях//МЖГ. -2005. -№ 2. -С. 18-28.
  • Иванцов А.О. Акустические колебания полусферической капли//Вестник ПГУ. Серия: Физика. -2012. -№ 3. -С. 16-23.
  • Де Жен П.Ж. Смачивание: статика и динамика//УФН. -1987. -Т. 151, № 4. -С. 619-681.
  • Воинов O.B. Гидродинамика смачивания//МЖГ. -1976. -№ 5. -С. 76-84.
  • Dussan V.E.B. On the spreading of liquids on solid surfaces: static and dynamic contact lines//Annu. Rev. Fluid Mech. -1979. -Vol. 11. -P. 371-400.
  • Shikhmurzaev Yu.D. Dynamic contact angles and flow in vicinity of moving contact line//AlChE Journal. -1996. -Vol. 42, no. 3. -P. 601-612.
  • Veretennikov I., Indeikina A., Chang H.-C. Front dynamics and fingering of a driven contact line//J. Fluid Mech. -1998. Vol. 373. -P. 81-110.
  • Bonn D., Eggers J., Indekeu J., Meunier J., Rolley E. Wetting and spreading//Rev. Mod. Phys. -2009. -Vol. 81. -P. 739-805.
  • Snoeijer J.H., Andreotti B. Moving contact lines: scales, regimes, and dynamical transitions//Annu. Rev. Fluid Mech. -2013. -Vol. 45. -P. 269-292.
  • Любимов Д.В., Любимова Т.П., Шкляев С.В. Неосесимметричные колебания полусферической капли//МЖГ. -2004. -№ 6. -С. 8-20.
  • Lyubimov D.V., Lyubimova T.P., Shklyaev S.V. Behavior of a drop on an oscillating solid plate//Phys. Fluids. -2006. -Vol. 18. -012101.
  • Пухначев В.В., Семенова И.Б. Модельная задача о внезапном движении линии трехфазного контакта//ПМТФ. -1999. -Т. 40, № 4. -С. 51-61.
  • Shklyaev S., Khenner M., Alabuzhev A.A. Enhanced stability of a dewetting thin liquid film in a single-frequency vibration field//Phys. Rev. E. -2008. -Vol. 77. -036320.
  • Алабужев А.А., Любимов Д.В. Влияние динамики контактной линии на собственные колебания цилиндрической капли//ПМТФ. -2007. -Т. 48, № 5. -С. 78-86.
  • Hocking L.M. The damping of capillary-gravity waves at a rigid boundary//J. Fluid Mech. -1987. -Vol. 179. -P. 253-266.
  • Borkar A., Tsamopoulus J. Boundary-layer analysis of dynamics of axisymmetric capillary bridges//Phys. Fluids A. -1991. -Vol. 3, no. 12. -P. 2866-2874.
  • Fayzrakhmanova I.S., Straube A.V. Stick-slip dynamics of an oscillated sessile drop//Phys. Fluids. -2009. -Vol. 21. -072104.
  • Shklyaev S., Straube A.V. Linear oscillations of a compressible hemispherical bubble on a solid substrate//Phys. Fluids. -2008. -Vol. 20. -052102.
  • Fayzrakhmanova I.S., Straube A.V., Shklyaev S. Bubble dynamics atop an oscillating substrate: Interplay of compressibility and contact angle hysteresis//Phys. Fluids. -2011. -Vol. 23. -102105.
  • Алабужев А.А. Поведение цилиндрического пузырька под действием вибраций//Вычисл. мех. сплош. сред. -2014. -Т. 7, № 2. -С. 151-161.
  • Кайсина М.И. Азимутальные моды собственных колебаний цилиндрического пузырька//Вестник ПГУ. Серия: Математика. Механика. Информатика. -2015. -№ 2(29). -С. 37-45.
  • Алабужев А.А., Кайсина М.И. Трансляционная мода собственных колебаний цилиндрического пузырька//Вестник ПГУ. Серия: Физика. -2015. -№ 1(29). -С. 35-41.
  • Алабужев А.А., Кайсина М.И. Влияние движения линии контакта на осесимметричные колебания цилиндрического пузырька//Вестник ПГУ. Серия: Физика. -2015. -№ 2(30). -С. 56-68.
  • Алабужев А.А., Кайсина М.И. Собственные азимутальные колебания цилиндрического пузырька в сосуде конечного объема//Вестник ПГУ. Серия: Физика. -2015. -№ 3(31). -С. 38-47.
  • Alabuzhev A.A., Kaysina M.I. The translational oscillations of a cylindrical bubble in a bounded volume of a liquid with free deformable interface//Journal of Physics: Conference Series. -2016. -Vol. 681. -012043.
  • Алабужев А.А., Любимов Д.В. Влияние динамики контактной линии на колебания сжатой капли//ПМТФ. -2012. -Т. 53, № 1. -С. 12-23.
  • Zhang L., Thiessen D.B. Capillary-wave scattering from an infinitesimal barrier and dissipation at dynamic contact lines//J. Fluid Mech. -2013. -Vol. 719. -P. 295-313.
  • Ting C.-L., Perlin M. Boundary conditions in the vicinity of the contact line at a vertically oscillating upright plate: an experimental investigation//J. Fluid Mech. -1995. -Vol. 295. -P. 263-300.
  • Perlin M., Schultz W.W., Liu Z. High Reynolds number oscillating contact lines//Wave Motion. -2004. -Vol. 40, no. 1. -P. 41-56.
  • Алабужев А.А. Продольные колебания цилиндрической капли в ограниченном объеме жидкости//Вычисл. мех. сплош. сред. -2016. -Т. 9, № 3. -С. 316-330.
Еще