Устойчивость границы раздела жидкостей в неравномерно вращающемся щелевом зазоре

Автор: Юлия Сергеевна Дементьева

Соавторы: ВС Кобелева, ВГ Козлов

Организация: Пермский государственный гуманитарно-педагогический университет

Экспериментально исследуется форма границы раздела двух жидкостей с высоким контрастом вязкостей в вертикальном щелевом зазоре с круговой границей, неравномерно вращающемся вокруг горизонтальной оси. Целью исследования является изучение динамики границы раздела в зависимости от размера и физических свойств фазового включения.

В [1] было обнаружено, что на осесимметричной границе раздела, которая формируется во вращающейся полости под действием центробежной силой, при повышении амплитуды модуляции скорости вращения пороговым образом возбуждается периодический пространственный рельеф. Показано, что обнаруженная неустойчивость связана с неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца и возбуждается в результате осциллирующего движения маловязкой жидкости вблизи межфазной границы. Настоящие исследования является продолжением вышеупомянутой работы. Варьируются размер фазового включения, свойства жидкостей (вязкость, плотность, коэффициент поверхностного натяжения), частота либрации и частота вращения. Проводится сравнение экспериментальных результатов с построенной в [1] теоретической моделью явления. При неравномерном вращении вокруг горизонтальной оси скорость изменяется со временем по закону . Здесь – скорость вращения полости, а  и  – круговая частота и безразмерная амплитуда либраций. Рабочей полостью является короткий горизонтальный цилиндр длиной d = 5.0 мм и радиусом R_c = 7 см. Между торцами цилиндра образуется узкий вертикальный щелевой зазор (ячейка Хеле-Шоу для вязкой жидкости). Полость заполнена двумя жидкостями разной плотности и вязкости.

На Рис. 1 (фрагмент а) показана межфазная граница под действием центробежной силы при равномерном вращении, которая имеет осесимметричную форму. В экспериментах использовались флуоринерт FC-40 и касторовое масло в объемном соотношении 60% к 40%. Вязкое масло, имеющее меньшую плотность, располагается вблизи оси вращения. На фрагменте б представлена фотография границы раздела в надкритической области, при больших значениях амплитуды модуляции скорости. Показано, что с дальнейшим повышением амплитуды модуляции скорости  высота рельефа  монотонно возрастает, а азимутальное волновое число  (полное число холмов) понижается.