气流边界层对高分子流体液膜的稳定性影响文献综述

 2023-08-23 17:09:25

文献综述(或调研报告):

1、现有理论模型以及失稳机制

目前针对气流边界层与高分子流体液膜的相互作用问题在理论上的主要模型为圆柱形管内轴对称内衬液体膜与核心流体的流动模型,该模型共分为三种情况:1、无重力自由流动的液膜;2、重力驱动的液膜;3、压力驱动的流动。在前两种模式下,核心流体的流动与液膜相比可以是静止、顺流或者逆流的,而对于第三种模式,两相通常是顺流的。

而在失稳机制上,液膜的主要不稳定性来源于普拉托-瑞利不稳定性(Plateau–Rayleigh),是由一种在静止状况下的长波干扰引起的不稳定性,波长超过某一阈值后此种不稳定性会导致液膜发展为两种最终的静态结构,其一为波状体,其二为液体桥。最终演化为哪一种结构取决于液膜中所包含的体积,在小体积时演化为前者,而在大体积时形成液体桥。在可能形成多重波状体的长管中,由于高振幅液环和低振幅叶之间的相互作用,会出现更复杂的动力学现象,并且液膜可能需要很长时间才能达到最终状态。失稳最终会导致液体泛滥,即当液体膜中液体由于不稳定性不断流入高振幅液环时堵塞管横截面。

早期关于无重力液膜流动的建模工作仅考虑液膜,并且假设核心流体是被动流动的,此模型对于液体/气体流动或由粘性力控制的液体/液体流动(当膜的粘性明显大于核心时)时很有效的。Hammond在1983年应用润滑理论导出了核心半径d的发展方程,并且假设膜是薄膜,即远小于管道半径,但是此模型完全忽略惯性和流向粘性扩散,得到的发展方程可以计算非线性界面变形,但是受限于液膜的厚度,一旦液膜变厚就无法进一步计算。Halpernamp;Grotberg在2003年首次解释了主动核心流体对液膜的影响,同时考虑了核心流体在两相界面上施加的切向应力和轴向压力梯度。上述建模方法的一个缺点是它们不考虑惯性,这限制了它们对以粘性为主的流动的适用性。对于被动核心,Johnson等人在1991年使用积分法修正了这一点,而不又假设很薄的膜。通过径向积分连续性方程和一阶长波Navier-Stokes方程(规定惯性项的无粘速度描述和粘性项的无惯性描述),得到了一个双方程模型。与精确线性稳定性计算结果的比较表明,在无粘和无惯性限制下,两者的一致性较好,而在惯性和粘性相关时,两者的一致性较差。

对于重力驱动下的液膜流动,建模工作主要集中在被动核心流体上,早期模型为Trifonov采用(一阶)长波积分边界层(IBL)方法应用于圆柱形管内(和柱形线上)下落的液膜,而关于主动核心流体建模的工作非常缺乏。在2009年,Mehidiamp;Amatouse通过将WRIBL(加权剩余积分边界层)方法应用于完全重力驱动的核心-环流(即没有任何轴向压差)的情况,导出了一个完全耦合的液体膜/核心流体模型。然而,这项工作仅限于线性稳定性计算。

关于压力驱动的流动,早期建模工作Frenkel等人推导出等密度和等粘度情况下的润滑模型,后来产生了弱非线性模型,该模型允许在膜和核心中存在不同的粘度。在1995年Kerchman得到通过渐近展开推导的薄膜发展方程,同时考虑了核心流动对液体膜施加的界面剪切应力,该模型的非线性模拟与实验吻合较好。在2013年Dietze和Ruyer-Quil提出了基于两相加权剩余积分边界层(WRIBL)形式的平面两相低维模型,并在2015年扩展到圆柱形形式,该模型在推导时适用于上述三种流动情况,但是该模型仅被应用于无重力自由流动的情况。

2、影响稳定性的关键参数

如上文所述液膜失稳的关键参数在于液膜中所包含的体积,核心参数为无量纲液体体积,如果,薄膜形成液体桥,并导致管道内液体发生泛滥,并将核心流体分离为两个球形气泡(或液滴)。的阈值对应于波状体可以达

到的最大体积,但是在某些的液膜中,由于液膜屈曲导致的粘性耗散机制会大大减缓液膜中流体的移动,进而显著延迟液体泛滥现象。而是否准确预测泛滥状态和时间演化与医学中的肺部流动有很大的联系。

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