描述射流形成的新数学模型

一滴咖啡滴在杯子里的液体表面上，会在短时间内形成一个咖啡塔，有时甚至会有新的咖啡滴在上面。咖啡广告以展示这种效果而闻名。

来自阿姆斯特丹、代尔夫特和巴黎的一组研究人员的一项新研究为这种错综复杂的效应提供了新的见解。这项研究最近发表在物理评论液体．

这种被称为“喷射形成”的效应并不只是咖啡独有的。例如，当雨滴击中池塘时，也可以观察到同样的效果。

当一滴牛奶滴在咖啡表面，而不是咖啡上时，另一个令人惊讶的效果是显而易见的:液体塔的大部分是白色的。这意味着不是咖啡溅出来的;相反，往往是牛奶“反弹”了。

不仅仅是重力

射流形成效应的一个粗略的解释已经为人所知很长时间了。当液滴撞击液体表面时，表面会形成一个临时的“撞击坑”。一旦液体飞回陨石坑的中心，它就无处可去，只能向上，这就是喷射的形成方式．

Cees van Rijn，研究首席作者，阿姆斯特丹大学物理研究所

虽然这一过程已经被研究了100多年，但其确切细节仍不清楚。具体来说，要了解喷射气流上升速度的变化是某种神秘的事情。

研究人员使用激光和快速照相机分析各种液体，发现在形成后，射流的速度以令人难以置信的速度下降。

”有人可能会认为，喷流减速的主要原因是重力将液体向下拉。然而，我们观察到，在形成后，减速可以比仅用重力解释的速度强5到20倍范·莱茵补充道。

构建一个模型

研究人员提出，这种极端减速背后的关键因素是液体的表面张力——与形成肥皂泡的张力相同。

塔上的液体外层的行为与这种气泡非常相似，它的曲率迫使喷射机减速并最终收缩——比仅基于重力的预期要快得多。

当射流刚刚形成时，这种效应最强。当液体到达最高点时，情况基本上恢复正常:液体以两倍于重力引起的加速度下落，当再次到达表面时，液体失去了最后一点额外的加速度。整个复杂的过程大约在十分之一秒内发生．

Cees van Rijn，研究首席作者，阿姆斯特丹大学物理研究所

考虑到这种解释，物理学家们努力开发一个数学模型来描述射流的形成。该模型使用了喷流的另一个压倒性特性:它们几乎总是相同的，也就是说，随着时间的推移，只有喷流的宽度和高度不同，而其形状没有变化。

利用这种“自相似性”的特性，研究人员可以开发出一个高度精确的模型，它非常精确地匹配所有的观察结果，当与各种液体(如乙醇、水、甘油和水的混合物)的测量值进行比较时。

进入太空

物理学家们已经在为他们的计划做进一步的计划——事实上，他们正计划将实验带到太空中去。

如果能完全摆脱重力，只理解表面张力的作用，那就太好了。我们很想在国际空间站做下一组实验，看看在无重力环境下到底会发生什么．

Cees van Rijn，研究首席作者，阿姆斯特丹大学物理研究所

期刊引用:

范·里因，等．(2021)液滴撞击液体表面后的自相似射流演化。物理评论液体．doi.org/10.1103/PhysRevFluids.6.034801．

来源:https://iop.uva.nl/