Генерация осредненного течения полупогруженной осциллирующей сферой

Аннотация

В статье представлены результаты экспериментального исследования структуры осредненного течения, генерируемого полупогруженной в жидкость осциллирующей сферой. Источником осредненного движения в рассматриваемой ситуации являются (1) неоднородный вязкий погранслой на затопленной части сферы, генерирующий осесимметричное течение с ярко выраженной струей от нижнего полюса, и (2) бегущая поверхностная волна, увлекающая приповерхностный слой жидкости в направлении своего распространения. Основное внимание в статье уделено течению, создаваемому волновым механизмом, и изменению его структуры в зависимости от характеристик колебаний сферы и состояния границы раздела, связанного с наличием или отсутствием адсорбированного слоя поверхностно-активного вещества на поверхности. В ходе экспериментов исследовалась конфигурация волны и структура осредненного течения. Основная часть экспериментов проведена с изопропиловым спиртом, что исключало формирование адсорбированного слоя. Обнаружено, что бегущая цилиндрическая волна порождает на поверхности раздела осесимметричное центробежное течение, интенсивность которого увеличивается с ростом амплитуды колебаний. При достижении порогового значения амплитуды данный тип волны становится неустойчивым, в результате чего на поверхности возникает конфигурация в виде двух спиральных волн, распространяющихся во встречных азимутальных направлениях, частота которых в два раза меньше частоты колебаний сферы. Амплитуда волны, полученной в результате суперпозиции, оказывается промодулированной в азимутальном направлении, в результате чего скорость радиального течения также оказывается периодической функцией азимутальной координаты. Проведена серия качественных экспериментов с водой различной степени очистки для выяснения влияния адсорбированного слоя сурфактанта на структуру осредненного течения. Показано, что наличие сурфактанта приводит либо к полному обездвиживанию поверхности, либо формированию многовихревого течения в зависимости от содержания сурфактанта. В заключение проводится сравнение полученных результатов с данными, полученными в более ранних исследованиях рассматриваемой в статье задачи.