[論文レビュー] Bursting Bubble in a Viscoplastic Medium

Vatsal Sanjay, Detlef Lohse+1 more|University of Twente Research Information|Jan 19, 2021

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 59被引用数 42

ひとこと要約

この論文は、DNSを用いて自由表面での泡の破裂における降伏応力（流変性）流体の影響を調べ、4つのレジームと塑性抵抗のために最終クレーター形状が非平坦になることを明らかにし、エネルギー収支とレジーム遷移を塑性-capillary数とOhnesorge数の関数としてマッピングする。

ABSTRACT

When a rising bubble in a Newtonian liquid reaches the liquid-air interface, it can burst, leading to the formation of capillary waves and a jet on the surface. Here, we numerically study this phenomenon in a yield stress fluid. We show how viscoplasticity controls the fate of these capillary waves and their interaction at the bottom of the cavity. Unlike Newtonian liquids, the free surface converges to a non-flat final equilibrium shape once the driving stresses inside the pool fall below the yield stress. Details of the dynamics, including the flow's energy budgets, are discussed. The work culminates in a regime map with four main regimes with different characteristic behaviours.

研究の動機と目的

• 表面自由界面での泡の破裂を、粘塑性降伏応力がどのように修飾するかを調べる。
• 粘塑性媒体における毛細波動とジェット形成を特徴づける。
• 破裂過程におけるエネルギー移動と散逸を定量化する。
• 塑性-capillaryとOhnesorgeパラメータ空間における挙動のレジームをマッピングする。
• 産業プロセスおよび地球物理学的文脈への適用可能な洞察を提供する。

提案手法

• ガス液界面を追跡するVolume of Fluid (VoF)法を用いたDirect Numerical Simulations (DNS)。
• 臨界正規化ビンガムモデルを用い、J = yield/tension ratio、およびOhnesorge数 Oh を用いて慣性-表面張力と粘性時間スケールを比較する。
• 慣性、圧力、粘性/降伏応力、重力を含む液体相の無次元化された支配方程式。気相は同様に解く。
• 界面と毛細波近傍を高分解能に保つAdaptive Mesh Refinement (AMR)、最小セルサイズDelta = R0/512。
• 初期条件は液体界面でほぼ球状の泡についてBo -> 0（Bo = 1e-3）と設定；縁部の後退と薄膜破裂をモデル化して初期空洞を形成。
• エネルギー収支を、運動エネルギー、表面エネルギー、散逸項（粘性および降伏散逸）に分解し、残留運動エネルギーに基づく停止基準を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 塑性-capillary数 J が泡の空洞収縮時の毛細波動動力学にどのように影響するのか？
• RQ2 粘塑性媒体中でWorthingtonジェットが形成される条件、あるいは液滴へ崩壊する条件は何か？
• RQ3 降伏応力は最終クレーターの形状をどのように変え、残留表面エネルギーを保存するのか？
• RQ4 J と Oh による粘塑性流体における泡破裂の異なるレジームとは何か？
• RQ5 様々な J および Oh に対して、運動エネルギー、表面エネルギー、散逸のエネルギー収支はどのように分配されるのか？

主な発見

• 降伏応力によって毛細波動とジェット形成が大きく修正される。高い J は波を減衰させ、ジェットの発生を抑制し、空洞の完全な降伏を停止させ得る。
• J–Oh レジーム図には4つのレジームが存在する：ジェットが液滴へ崩壊、ジェットが崩壊せず、全空洞が崩壊するが表面が非平坦、そして底部が降伏せずクレーター形状を固定するレジーム。
• 最終クレーター形状は非平坦で残留表面エネルギーを伴う。ニュートン流体とは異なり表面が平坦化しない。クレーターの深さと毛細波動強度は J と Oh に依存する。
• エネルギー収支は、J の増加により散逸が降伏応力へと移動し、底部で降伏が抑制されるとクレーター表面エネルギーにより多くのエネルギーが蓄積される。
• J が約0.65以上では、底部のプラグが降伏せず、全崩壊を妨ぎ、初期深さ付近でクレーター高さを固定する。
• レジーム遷移は J–Oh 平面の特定の線上で生じ、結果は毛細力と降伏応力の両方の影響を受ける。