Immiscible interface vs. miscible interface in Faraday instability
William Batson, Farzam Zoueshtiagh, Sakir Amiroudine, Ranga Narayanan
这是一个用高速摄影机拍摄的混溶和不混溶法拉第不稳定性的流体动力学视频。
This is a fluid dynamics video submission of miscible and immiscible Faraday instability shot with a high speed camera.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
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The onset and saturation of the Faraday instability in miscible fluids in a rotating environment
我们调查的影响，旋转的法拉第不稳定性的发病和饱和的垂直振荡的两层混溶流体使用的理论模型和直接数值模拟（DNS）。我们的分析方法利用Floquet分析来解决一组从线性稳定性分析得到的Mathieu方程。Mathieu方程的解在三维稳定图中包含稳定区、调和区和次调和不稳定区。我们发现，科里奥利力稳定的流动和延迟的次谐波不稳定性的发病负责湍流混合在较低的强迫振幅。然而，在较高的强迫振幅下，流动的能量足以减轻旋转的稳定效应，并且湍流混合区的演化在旋转和非旋转环境中是相似的。这些结果证实了DNS在不同的科里奥利频率和强迫振幅。我们还观察到，对于$\left(f/ω\right)^2<0.25$，其中$f$是科里奥利频率，$ω$是强迫频率，不稳定性和湍流混合区的大小- $L$饱和。当$\left(f/ω\right)^2\geq0.25$时，湍流混合区尺寸- $L$永远不会饱和并继续增长。
Bridge evolution during the coalescence of immiscible droplets
本研究通过实验和理论模型发现，不相溶液滴聚结时，液桥在黏性主导阶段与可混溶液滴相似，但在惯性主导阶段因水-油界面和额外界面张力而变慢，并提出了修正的Ohnesorge数来表征转变。
Viscosity scaling of fingering instability in finite slices with Korteweg stress
我们进行线性稳定性分析（LSA）和直接数值模拟（DNS）调查的动态粘度的粘性指进（VF）不稳定性的影响，在互溶切片。选择适当的特征尺度的重要性的动态粘度的大小的VF在互溶切片已被显示在瞬态界面张力的上下文中。此外，我们已经证实了这一结果为不混溶流体和表现VF之间的相似性，在不混溶和混溶切片与瞬态界面张力。在一个更一般的设置，这封信的调查结果将是非常有用的多相粘性流，其中的动量平衡方程包含一个额外的应力项的动态粘度。
Linear stability analysis and direct numerical simulation of two layer channel flow
本文研究了雷诺数为100 ~ 1000时，在线性和非线性状态下，平面通道中双流体流动的稳定性。这两种流体具有相同的密度但不同的粘度。当可混溶时，流体通过小但有限厚度的混合层彼此分离，穿过该混合层，粘度从一种流体的粘度变化到另一种流体的粘度。当不混溶时，界面是尖锐的。我们的研究涵盖了施密特数，粘度比和混合层的位置和厚度的范围。一个区域的不稳定性不同的Tollmien-Schlichting模式得到在中等雷诺数。我们发现，重叠层的粘性分层的关键层的主导扰动提供了一种机制，这种不稳定性。在非常低的扩散系数值，混相流的行为完全一样的不混相的稳定性特征。高水平的可渗透性使流动更加稳定。然而，在中间水平的扩散率，在线性和非线性的制度，混相流可以是更不稳定的比相应的不混相流没有表面张力。
Direct numerical simulations of turbulent mixing driven by the Faraday instability in rotating miscible fluids
采用直接数值模拟（DNS）方法研究了旋转对由法拉第不稳定性引起的两种小密度混溶流体湍流混合的影响。通过不可逆混合速率$\mathcal{M}$，我们量化了描述可用势能（APE）向背景势能（BPE）转化的不可逆混合。我们表明，在较低的强迫振幅，湍流动能（$t.k.e.$）增加的科里奥利频率$f$的增加，直到$\left(f/ω\right)^2<0.25$，其中$ω$是强迫频率，在分谐波不稳定相。这种$t.k.e.$的增强归因于更不稳定模式的激发。由于亚谐不稳定相的延长，不可逆混合随着$\left(f/ω\right)^2$的增加而持续一段延长的时间，直到$0.25$，并最终随着不稳定饱和而停止。当$\left(f/ω\right)^2 > 0.25$时，科里奥利力显著延迟了次谐波不稳定性的开始。强旋转效应导致较低的湍流，因为APE的大部分扩展为BPE，减少了APE，其转化回用于$\left(f/ω\right)^2 > 0.25$的$t.k.e.$储层。由于$\left(f/ω\right)^2 > 0.25$的不稳定性从未饱和，APE通过$\mathcal{M}$向BPE的转化仍在继续，我们发现了延长的不可逆混合。在较高的强迫振幅下，旋转的不稳定延迟效应可以忽略不计，湍流强度较小且持续时间较短。因此，对于$\left(f/ω\right)^2<0.25$，不可逆混合现象也很快结束…
Hydrodynamic instabilities in miscible fluids
可混溶流体中的流体动力学不稳定性是普遍存在的，从自然现象到地质尺度，再到工业和技术应用，在工业和技术应用中，流体动力学不稳定性代表了在低雷诺数下控制和促进混合的唯一方法，远低于从层流到湍流的转变。对于不混溶流体，混溶流体的流体动力学不稳定性的发生与其界面的物理性质直接相关。因此，本次审查的重点是在各种强迫条件下，在混相流体之间的边界驱动扰动的增长的一般机制。在缺乏规则化机制的情况下，这些扰动将无限期地增长。对于不混溶的流体，界面张力提供了这样一种正则化机制，因为能量成本与通过增长的扰动产生新的界面相关联。然而，对于混溶流体，模拟有效表面张力的界面应力的存在是有争议的。然而，其他机制也可能是相关的，例如粘性耗散。我们将回顾控制最常见的流体动力学不稳定性的稳定机制，突出那些缺乏有效界面张力的情况下，在线性稳定性分析的数学公式提出了深刻的概念问题。最后，我们提供了一个简短的概述正在进行的研究有效的，不平衡的界面张力之间的互溶流体。
Theory of Nonlinear Acoustic Forces Acting on Inhomogeneous Fluids
近年来，人们用平均欧拉压力假设解释了声场作用下非均质混相流体的流动抑制和迁移现象。在这封信中，我们表明，这一假设是不合理的，任何假设的平均欧拉压力是不必要的。我们提出了一个理论的非线性声学的非均匀流体的第一性原理，它解释了流动抑制和声学搬迁在微通道内的可混溶和不可混溶的非均匀流体。该理论预测了高阻抗流体向驻波压力节点的迁移，这与最近的实验结果一致。
Kelvin-Helmholtz instability in binary fluids with miscibility gap
本研究采用改进相场法的直接数值模拟，研究具温度敏感混溶间隙的二元流体在两种热力学构型下的开尔文-亥姆霍兹不稳定性，明确了混溶程度、表面张力等因素的影响及不混溶极限下表面张力的关键作用。
Hysteretic Faraday Waves
我们报告的数值和理论研究的参数放大波的亚临界分叉出现在两个不混溶的不可压缩流体之间的界面时，较低的流体层是非常浅的。作为一个关键的控制参数被超越，小振幅表面波分叉高度非线性的，其振幅的两倍。我们提出了一个简单的唯象模型，可以描述所观察到的分岔。我们将这种滞后与剪切应力的变化，使用一个简单的应力平衡，与数值结果一致。
Validation and application of the lattice Boltzmann algorithm for a turbulent immiscible Rayleigh-Taylor system
本文利用Shan-Chen赝势在GPU上实现了二维Rayleigh-Taylor湍流的多组分格子Boltzmann（LB）模型。在不混溶的情况下，这种方法能够准确地克服固有的数值复杂性所造成的复杂结构的界面，出现在充分发展的湍流制度。LB模型的准确性进行测试的早期和后期阶段的不稳定性。对于发达国家的湍流运动，我们分析了不同的条款描述的动能和势能的变化之间的平衡。然后分析了界面在能量平衡中的作用，以及界面诱导的涡量在能量耗散中的作用。统计特性进行了比较混溶和不混溶流。我们的结果也可以被认为是第一个验证步骤，以扩大LB模型的应用程序的三维不混溶瑞利-泰勒湍流。
A unified multi-phase and multi-material formulation for combustion modelling
这项工作的动机是产生一个完整的配方，由于爆轰波加载的材料响应。在这里，我们专注于弹塑性结构响应。特别是，我们感兴趣的是捕获混溶和不混溶的行为内凝聚相炸药所产生的共存的反应性载体混合物的混溶材料，和几个材料界面，由于不混溶的杂质，如颗粒或空腔的存在。炸药的动力学和热力学演化通过它们的共享界面传递到一个或多个惰性限制器，这些惰性限制器可能经历严重的拓扑变化。我们还希望考虑限制器的弹性和塑性结构响应，而不是对其行为进行流体动力学假设。这些作者以前的工作已经满足了这些要求，通过同时解决适当的方程组的行为的凝聚相炸药和弹塑性行为的约束。在目前的工作中，我们采用了一个单一的系统的偏微分方程（PDE）提出的Peshkov和Romenski，这是能够占不同状态的物质通过概括的概念的失真张量超越固体。我们合并，制定一个单一的系统的PDE，满足共存的可混溶和不可混溶的爆炸混合物的要求。我们提出的数学推导和构造适当的算法，其解决方案。所得到的模型进行了验证，对几个用例的精确解，包括机械和热引起的，无粘和粘性爆炸。结果表明，该模型可以准确地模拟非常广泛的问题，涉及反应和惰性材料之间的非线性相互作用在一个单一的框架。
Delayed onset and the transition to late time growth in viscous fingering
粘性指进模式在两种流体之间的界面处的受限几何形状中形成，因为较低粘度的流体置换具有较高粘度的流体。以前的研究已经研究了最不稳定的波长的图案，形成使用两个线性稳定性分析和动态的手指生长的非线性制度。在动力学方面的有趣差异已经在直线和径向几何形状之间以及在不混溶（具有界面张力）或混溶（具有可忽略的界面张力）的流体对之间看到。本文报道了所有这些系统如何从线性不稳定状态过渡到后期的非线性动力学的测量结果。在所有四种情况下，有一个稳定或缓慢增长的区域，其特征在于在手指进入后期制度之前的起始长度尺度。对于不混溶的流体在直线几何形状的起始长度是一致的线性稳定性分析。所有其他情况都没有得到现有理论的充分描述。在径向几何结构中，理论预测的起始长度比实验观察到的要小一个数量级，并且与无量纲数的比例不正确。对于可混溶的流体在直线几何的起始长度是有关的发展内的限制尺寸的稳态结构，不能用准二维理论解释。通过将发病长度与发病后测量的手指生长速率相结合，可以预测形成后期动态的全局模式。
Mixing induced by Faraday surface waves
研究通过法拉第表面波诱导混合，发现混合速率呈现非单调变化，揭示了能量输入与障碍减少之间的平衡。
Numerical simulation of two-dimensional Faraday waves with phase-field modelling
采用相场法和Jacqmin（1999）[J. Comput.物理、第155、96节]。它的有效性检查对线性理论。在非线性区域中，与Wright等人（2000）[J.Fluid Mech.，400，1]。在这个比较中，研究了界面区域外的涡量。Jiang等人（1998）[J.Fluid Mech.，v.369，273]，成功地模拟了目前的相场法。
Engulfment of a drop on solids coated by thin and thick fluid films
当水滴与不混溶油膜接触时，表现出复杂的界面动力学。在接触时，油扩散到液滴的液体-空气界面上，首先形成驱动明显的液滴扩散运动的曲率，然后完全吞没液滴。我们研究这种流动使用3相格子玻尔兹曼模拟的基础上保守相场模型和实验。惯性和粘性有限的动力学进行了探讨，使用Ohnesorge数$Oh$作为$R/H$的函数，初始滴半径$R$和膜高度$H$之间的比率。这两个制度表明，表观扩展半径$r$是相当独立的膜的高度，并与时间的比例$T$为$r\sim T^{1/2}$的$Oh\ll 1$和$Oh\gg 1$为$r\sim T^{2/5}$。对于$Oh\gg 1$，我们的实验表明，这种不混溶的表观扩散运动是类似的混溶滴膜聚结的情况。然而，与表观扩散相反，我们发现后期吞没动力学和最终界面轮廓受$H/R$比例的显著影响。
Numerical simulation of Faraday waves
我们数值模拟了两种不可压缩和不可混溶的粘性流体的法拉第波在三维空间的完整动力学。纳维-斯托克斯方程求解采用有限差分投影法耦合前跟踪法的两种流体之间的界面。计算区域在水平方向上是周期性的，在垂直方向上由两个刚性水平板限定。临界加速度和波数，以及在发病时的时间行为进行了比较与Kumar和Tuckerman [J.流体机械279，49-68（1994）]的线性Floquet分析的结果。将有限振幅结果与Kityk等人的实验[Phys.Rev.E72，036209（2005）]进行了比较。特别是，我们重现详细的时空光谱的正方形和六边形的模式在实验的不确定性。
Intermittent dynamic bursting in vertically vibrated liquid drops
在垂直振动的毫升大小的液滴中观察到一种以前未报道的III型不溶性的制度，该液滴浸没在由疏水固体板支撑的更粘稠且密度更小的不混溶流体层中。随着振动幅度的逐渐增大，在液滴的上表面处激发出次谐波法拉第波。我们发现一个狭窄的窗口的振动幅度略高于法拉第阈值，其中下降表现出不规则的序列的大幅度突发事件交替与低幅度活动的间隔。触发的物理机制与表面法拉第波和液滴形状变形模式之间的竞争有关。
Measurement of Pressure Gradients near the Interface in the Viscous Fingering Instability
针对粘性指进不稳定性后期生长机制研究需求，提出一种测量内外流体整体流动的实验技术，可探测界面局部压力梯度相关新长度尺度，并验证了已有后期指状生长模型的预测。
Capillary filling in drop merging: dynamics of the four-phase contact point
由于液滴之间形成液-液界面，不混溶液滴的合并与混溶液滴的合并显著不同。不可渗透性需要形成四相接触点，液滴、气体和基底在此相遇。我们表明，这一点有自己独特的动力学，从来没有事先研究。对于非常不同的场景，该点的传播距离遵循时间尺度，如t^{0.5}。平衡驱动力和耗散力的模型与我们的实验相一致。
Rayleigh-Taylor instability in binary fluids with miscibility gap
提出相场方法模拟二元流体温度敏感混溶隙的连续转变，推导色散关系并数值模拟，揭示RT不稳定性早期增长分区及后期开尔文-亥姆霍兹卷的形成依赖温度。
Effect of rotation on turbulent mixing driven by the Faraday instability
采用直接数值模拟方法研究了旋转对由Faraday不稳定性引起的两种小密度可混溶流体的湍流混合的影响。我们证明，在较低的强迫振幅，t.k.e.随着f的增加而增加，直到（f/ω \right）^2<0.25，其中ω是次谐波不稳定阶段的强迫频率。t.k.e.的增加。增加B_V，这增加了总势能（TPE）。TPE的一部分是APE。APE的一部分可以通过B_V转化为$t.k.e.$，而其余部分转化为内能，通过BPE_i增加BPE。剩余的TPE也通过透膜通量β_d转化为BPE，导致不可逆混合。随着不稳定性的饱和，不可逆混合停止。当（f/ω \right）^2> 0.25时，科里奥利力显著地延迟了亚谐不稳定性的开始。在此期间，初始浓度分布扩散以增加TPE，其最终在BPE中消耗。强转动效应抑制了t.k.e.。因此，B_V和APE变小，并且TPE的大部分扩展为BPE。由于$\left(f/ω\right)^2 > 0.25$的不稳定性从未饱和，因此$B_V$保持非零，导致TPE持续增加。TPE通过$ϕ_d$向BPE的转化继续进行，并且我们发现了延长的不可逆混合。在较高的强迫振幅下，旋转的稳定作用可以忽略不计，湍流强度较低，持续时间较短。因此，对于$\left(f/ω\right)^2<0.25$，不可逆混合现象也很快结束。然而，当使用$\left(f/ω\right)^2>0.25$时，观察到连续混合…
Dynamics of Fluid Mixtures in Nanospaces
我们最近的简单流体理论的多组分扩展[ U.M.B. Marconi和S. Melchionna，Journal of化学物理，131，014105（2009）]被提出来描述在受限流体流动的典型的不均匀、非稳定条件下的可混溶和不可混溶的液体混合物。我们首先从微观水平推导出的演化方程的相空间分布函数的每个组件在一组自洽场，代表体力和粘性力（力依赖于流体中的密度分布和速度分布）。其次，我们数值求解所产生的控制方程的格子玻尔兹曼方法，其实施包含新的功能，相对于现有的方法。我们的模型结合了流体动力学流动，扩散，表面张力，以及全球和局部粘度变化的可能性。我们验证我们的模型，通过研究体积粘度依赖的混合物的浓度，包装分数和尺寸比。最后，我们考虑非均匀系统和研究分子厚度的狭缝中的混合物的动力学和相关的结构和流动性质。
Centrifugally forced Rayleigh-Taylor Instability
旋转对经典引力驱动的瑞利-泰勒不稳定性的影响已经被证明会影响在不稳定界面处发展的扰动的尺度，从而改变波前的传播速度。本文作者认为，这是重力的不稳定效应和旋转的稳定效应之间竞争的结果。在本文中，我们考虑的极端极限的高转速，其中旋转力占主导地位，引力可以忽略不计。两个液体层最初形成同心圆柱体，以旋转轴为中心。该配置可以被认为是流体-流体离心机。有两种类型的扰动的接口，可以被认为是一个方位角扰动周围的圆周的接口和一个静脉曲张的扰动在轴向方向上沿着接口的长度。这是我们在这里考虑的第一种扰动类型，因此流动基本上可以认为是二维的，发生在一个圆形区域内。我们进行了线性稳定性分析的扰动的流体静力学背景状态，并推导出一个四阶Orr-Sommerfeld方程，管理系统。我们考虑系统的稳定和不稳定的配置，无粘和粘性流体，不混溶流体层与表面张力，和混溶流体层，可能有一些初始的密度扩散的动力学。理论预测进行了比较，数值实验和协议被证明是好的。我们不限制我们的分析等体积的流体层，所以我们的结果也有快速旋转系统和机械中的涂层和润滑问题的应用。
On the Rayleigh-Taylor instability of a diffuse interface
本文从不可压缩变密度方程直接推导可混溶瑞利-泰勒不稳定性的线性稳定性表述，统一了经典理论，揭示了扩散在有限施密特数下的稳定作用及非布辛涅斯克耦合的影响。
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