毛细管射流的滴落-喷射转变过程及速度松弛现象

《Journal of Fluid Mechanics》：Dripping–jetting transition of a capillary jet with velocity relaxation

毛细管喷射液滴-喷射过渡受速度弛豫影响，实验与全局稳定性分析表明弛豫增强扰动耦合，导致临界Weber数低于经典理论预测，并提出普适公式。

　　

摘要

毛细射流从滴落状态转变为喷射状态的过程对于喷墨打印和药物释放等应用至关重要。从喷嘴中喷出的液滴通常具有不均匀的初始速度分布，这会影响状态之间的转换，而速度松弛在其中的作用尚未得到充分研究。在此，我们通过实验和稳定性分析相结合的方法研究了毛细射流的滴落-喷射转变过程。实验结果表明，速度松弛会降低临界转变韦伯数（${\textit{We}}_c$），这与经典局部时空稳定性理论的预测相矛盾。为了解决这一差异，我们开发了一个全局稳定性模型，该模型考虑了速度松弛的影响，以计算不同雷诺数（${\textit{Re}}$）下的临界韦伯数。我们的模型对有无速度松弛的射流都能给出准确的预测，并揭示了这种差异的主要原因在于速度松弛引起的射流扰动的非平行效应。上游的速度松弛过程加剧了全局扰动的非均匀性和非平行性，在较高的雷诺数下导致扰动场中的径向-轴向耦合增强（${\textit{Re}}$），显示出局部分析无法解释的全局动态行为。基于全局稳定性分析的结果，我们提出了适用于泊肃叶流和均匀速度射流的临界韦伯数公式。这些发现阐明了在速度松弛影响下滴落-喷射转变的全局不稳定性的动态机制，并为实际应用中精确控制射流行为提供了指导。

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