[论文解读] 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 42

一句话总结

本文通过 DNS 研究屈服应力（粘塑性）流体在自由表面气泡破裂中的作用，揭示四种模式并由于塑性阻力导致的非平坦最终陨坑形状。它将能量预算和模式转变映射为塑-表面张力数和 Ohnesorge 数的函数。

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.

研究动机与目标

• 研究粘塑性屈服应力如何改变自由表面上气泡的破裂过程。
• 表征粘塑性介质中的毛细波动力学和喷射形成。
• 量化破裂过程中的能量传递与耗散。
• 在塑-表面张力数与 Ohnesorge 数的参数空间中绘制行为模式。
• 提供可应用于工业过程和地球物理情境的见解。

提出的方法

• 使用直接数值模拟（DNS）结合体积分数法（VoF）跟踪气液界面。
• 对粘塑性应力采用正则化宾汉姆模型，参数 J = yield/tension 比，以及用 Ohnesorge 数 Oh 来比较惯性-毛细时间尺度与黏性时间尺度。
• 对于液相的无量纲控制方程包括惯性、压力、黏性/屈服应力和重力，气相以相同方式求解。
• 自适应网格细化（AMR），在界面和毛细波附近确保高分辨率，最小网格尺寸 Delta = R0/512。
• 初始条件设为 Bo -> 0（Bo = 1e-3），在流体界面上的近似球形气泡；边缘回撤和薄膜破裂被建模以形成初始腔。
• 能量预算分析将总能量分解为动能、表面能和耗散项（黏性和屈服耗散），并基于剩余动能设定停止准则。

实验结果

研究问题

• RQ1 在气泡腔体坍塌时，塑-表面张力数 J 如何影响毛细波动力学？
• RQ2 在粘塑性介质中何种条件下会形成 Worthington 喷射并/或分裂成液滴？
• RQ3 屈服应力如何改变最终陨坑形状并保留残留的表面能？
• RQ4 在 J 与 Oh 的函数下，粘塑性流体中气泡破裂的不同模式有哪些？
• RQ5 对于不同的 J 与 Oh，动能、表面能和耗散在能量预算中的分配如何？

主要发现

• 毛细波和喷射显著受屈服应力的影响；较高的 J 会抑制波动、抑制喷射，并可能停止整个腔体的屈服。
• 在 J–Oh 区域图中有四种模式：喷射分裂成液滴、喷射但不分裂、整个腔体坍塌但表面仍非平整、以及底部非屈服而冻结腔形。
• 最终陨坑形状非平坦并具有残留表面能，与牛顿流体趋向平坦表面不同；最终陨坑深度和毛细波强度取决于 J 与 Oh。
• 能量预算显示，增大 J 会将耗散转向屈服应力，在底部抑制屈服时，更多能量储存在陨坑表面能中。
• 对于约 J ≈ 0.65 或更高的情况，底部塞子保持未屈服，防止完全坍塌并将陨坑高度固定在接近初始深度的位置。
• 分 regime 的转变在 J–Oh 平面中的特定线处发生，结果受毛细效应与屈服应力影响共同作用。