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液滴击打水面时产生的像卡门涡街的涡量分布: 热度 9 zhongwei2284 2015-5-11 09:26; 先来欣赏两张卡门涡街的图片。卡门涡街是一种有趣又美妙的自然现象，但是此时和液滴击打水面又有什么关系呢？目前已知而言，液滴击打液面，可能产生出非常丰富的现象，例如 crown splashing （王冠一样的溅射）， Worthington jet （高速往上生长的射流），气泡，以及溅射出许多不规则的小液滴等。它们的产生都有不一样的机制。在实验中被观察到，大液滴在击打水面的过程中，在更加微小的尺度上可以看到会产生不同尺寸的小液滴，在高速击打时，这些小液滴的最有意思的来源是大液滴刚开始击打池子里的液面时，在大液滴与底下液面交界的地方产生一个很纤细的射流导致的小液滴的产生。此时的物理机制是在更高的雷诺数时，大液滴与液面交界的地方变得不稳定，产生了卡门涡街式的涡量分布。具体流程如下：在实验过程中，我们对两个参数感兴趣，一个是雷诺数 Re ，另一个是溅射参数 K ，其中， We 为韦博数，。 ρ 为密度， μ 为粘性系数， σ 为表面张力系数， D 为尺寸， U 为击打速度。我们只对 K 比较大的时候感兴趣，现在来对实验结果进行分类： K 很大时，雷诺数比较小的一个范围（更粘的流体），在液滴和水面之间出现的是平滑的射流（ smooth ejecta sheet ）； K 很大时，最大的雷诺数的范围，产生了许多分离的小液珠，并且产生了不规则的溅射（ irregular splashing ）；雷诺数为中间范围时，小的 K 值区域，此时击打的速度比较小，表面张力阻止了 ejecta sheet 的形成，但在交界面观察到了有凸起；雷诺数为中间范围时，较大的 K 值范围，此时 ejectasheet 得到了充分的发展；雷诺数为中间范围时，最大的 K 值区域，此时产生了有趣的现象，喷射流与液珠以及下面的液面之间具有很强的相互作用。以上结果均在 Fig.1 中所示实验结果表明，雷诺数在令上述现象转变成为不规则溅射的过程中起到了重要的作用，并且，展示了射流与液珠以及下面液面的相互作用的动力学，这些结果表明这种新的相互作用构成了不规则溅射的基础。为了进一步研究上述实验结果下面进行与数值结果的比较。如 Fig.2 所示的是参数取定某值的时候，随着时间变化实验结果与计算机模拟结果的比较。 Fig.2 进一步用数值模拟进行分析如 Fig.3 所示： Fig.3 ：此图显示的是涡结构。 (a)-(f) 红色区域为大液珠，蓝色的为底下液面，绿色的则为空气。每张图下方对应的则是涡量分布。 (a)-(c) 为固定很大的 K （）曾加雷诺数的结果； Re=1000,3552 以及 14500 ； (d)-(f) 是 K 比较小些的情况； (g) 为对应 (c) 的 earlyshedding 的情况，此时由于几何表面比较尖锐，因此表面张力具有很重要的作用。 (a)-(f) 尺寸为 0.1D ， (g) 的为 0.01D 。上图中出现了卡门涡街式的涡量分布。该数值结果也进一步表明了液珠与 ejecta 之间的相互作用对于不规则溅射的产生有重要影响。中通过实验观察到了相关的卡门涡街的现象并且对各种上面预言到的现象进行了验证。另外可变形的表面散布的涡为理论研究和进一步的分析增加了难度。 Question: 1、对该现象的理论依据是什么？ 2、 Marangoni 效应以及瑞利 - 泰勒不稳定性在这种现象中所起的作用是什么？ 3、此时出现的三维的不稳定性需要进一步的学习并且与其他圆柱绕流以及剪切层的不稳定性进行比较？内容来源文献： 1 、 M.-J. Thoraval et.al. Phys. Rev. Lett. 108 (26), 264506(2012). 2 、 A. A. Castrejón-Pita et.al.Phys. Rev. E 86, 045301(R)(2012) . 3 、 M.-J. Thoraval et.al. J. Fluid Mech.724,234(2012). 4、关于卡门涡街的图片来源于网络.; 个人分类: 生活与自然|14275 次阅读|11 个评论

为什么呵气暖而吹气凉？: 热度 45 boxcar 2014-7-3 07:38; 话说 6 月 25 日下午，我在大学同学的微信群里看到当天早上樊同学说的一段话——“ 发现一个有意思的事情！用嘴吹气的时候，说 Ha ——吹出的是热气，说 Fu ——吹出的是凉气，谁能告诉我为什么啊啊啊啊！！！ ” 。很快，薛同学给出了极其简洁的第一个解释——“体内气和体外气的区别。”【练气功？】随后，白同学对这一现象做了第二个的解释——“哈的时候气流速度慢，从热的三个传递方式来看，对流慢，热散失少”。很快，遭到孟同学“点将”，说俺正写论文解释呢。【天敌良心，俺一般几天才上一次微信，哪有这么快速的反应？】樊同学立刻声明，这题目是他想出来的，要发表应该考虑得给个“第二作者”。【那神码，若有报刊杂志发表本短文，请务必允许至少列上两个作者。】不久，郝同学说——“控制嘴的开口大小和气体喷出速度，手的感觉就一样了。” 终于，俺禁不住同学念叨，在下午 16:00 时许上了微信，并立刻放话——“樊金说的现象时存在的，而且我可以很快给出解释。”【解释确实很快就给出了，但文章却拖到第二天早上才开始动笔，一周后才真正写完】并且声明——“豆腐快文章（当然是大豆腐而不是臭豆腐）也是可以写的”“樊金第二作者，必须的！” 然后，柳同学说——“要真写文章的话，要用温度计采集实验数据，观察不同方式不同速度多次吹气温度下降或上升曲线，以及最终收敛温度，并分析对比测量值和感觉的差异，等着看吕教授的论文啦！”【看热闹的不怕事儿大！哼哼。。。】咱立刻回答说——“文章可以有多种写法，可以干说的。”“当然采集数据对我来说是小意思。。。。。。”【如果愿意，这个确实可以搞一篇学术文章，当然考虑到更多人能看得进去，写篇科普文章可能更合适。】 ================================== 【既然当众接招了，就必须有个交待。】其实樊同学描述的现象我们都见过，当然也很容易试验。那天我马上伸出手，放在面前试了下，当然如此。下面，我来详细地解释下原因。我们可以先从发声时的口形来分析。在发出不同的元音（ a ， o ， e ， i ， u ， ü ）时，口形是明显不同的。虽然发音的时候都要呼出一口气，但是在发出 Ha 等音时嘴唇是大大张开的，而在发出 Fu 等音时，嘴唇却只张开比较小的幅度。这样一来，发出的声音不一样，而且即使从肺部呼出的空气量完全相同，空气从口腔呼出时的温度都和体温一样，到达手心时的冷热效果却也可以完全不同。先说说比较简单的现象——呵气（ Ha ）暖。刚才说过，发出 a 音时的口形是大大张开的（截面积在 10 平方厘米量级），这样带着人体温的气体在从口唇呼出时其实是一个流动速度是比较慢但截面积很大的暖气团。由于它的运动速度缓慢，雷诺数较低，因此边缘区可能保持类似于层流的状态，气团与外部空气之间主要以气体热传导的方式换热，因此气团内部温度下降比较缓慢，所以在到达离嘴十几厘米的手心时仍保持较高的温度。人的手部由于始终与温度通常低于体温的周围空气保持接触，因此会向周围环境散放热量而使伸开的手心气温明显低于体温。如果从嘴呵出的气体温度高于手心本身的温度，那么其在到达手心时会造成手心温度的上升，因此我们会产生手心更温暖的感觉。再说说比“呵气暖”更复杂的现象——吹气凉。在发出 u 音时，口形是收缩得比较小的（截面积可能不足 0.1 平方厘米），这样从嘴里吹出来的气体虽然仍带着人的低温，但气体流动速度远高于呵出气体的速度。这样的一个气团，在空间上是一个被拉得很狭长的气柱，这个气柱的表面积会远大于“呵气”团。同时，由于吹出的气体速度远远大于呵出气体的速度，吹出气柱的直径又远远小于呵出气团的直径，在粘度、密度及温度等气体参量基本保持不变的情况下，吹气的雷诺数（粘度、密度和速度乘积除以尺寸）将远大于呵气。因此，吹气将处于湍流状态，在气柱与周围环境空气接触界面处不再仅以简单的空气传导方式发生热交换，而会不断有较冷的空气混入气柱之中，使气柱的温度迅速下降，使得到达离嘴十几厘米远的手心时温度可以基本降至环境温度。但是，这仍不足以彻底解释“吹气凉”的现象。 “凉”意味着比正常环境温度更低的感觉，体感更凉实际意味着更快的散热，也就是更大的热流。有风吹的时候人会感觉更凉，其实流动的空气（温度为低于体温的环境温度）可以通过直接传热或造成水分蒸发带走体表的热量。当人通过嘴唇向手掌心“ Fu-Fu ”吹气时，流向掌心的其实并不只有从嘴吹出来的空气及与之已经完成混合的环境空气，应该还有由于气体粘滞效应而被高速流动的气流拖曳着流向手心的外围空气。这就造成了较大流量、较高速度的气流冲击手心后向周围散开，结果自然会带走手心更多的热量，因此会感觉手心更凉。那么，是不是“ Fu-Fu ”地吹气，一定会让我们感到更凉呢？那倒也未必！如果在吹气时我们把手心渐渐向嘴移动，就会感觉到越靠近嘴感觉越暖热。这是因为，从嘴吹出的空气最初的温度基本是人的体温，在随后的流动过程中温度不断降低，手在靠近嘴的时候吹上去的高温空气，越远则空气的温度越低，因此会产生这种近暖远凉的效果。本文在《中国科学报》发表。; 个人分类: 科普|26345 次阅读|152 个评论

量纲分析是怎样进入应用的？: 热度 1 yangxintie1 2014-5-20 11:00; 所谓量纲分析是如何来的也很有趣。无量纲其实最早並不是理论家和数学家应用的，而是一些知道事物依赖变量的初入手的探究者，这时候甚至连个公式都没有，只知道和某些量有关，F=f(R，S，T，L，M)，然后这些搞实验的或搞实践的就想摸点规律，为此要从这些量里找出最关健的组合，以便找出些最简的关価，最后搞出公式和方程，这时的量纲分圻就是一把利剑。比如老太太搅鸡蛋或者揉面，什么组合对质量影响大，作一次就知道速度，粘性，搅拌和揉的距离等是关健要素，把它们搭配一起找出个无量纲的组合，它就是雷诺数!致于以后数学家和物理家们认识更深刻了，从方程去找这些无量纲量，那就是錦上添花了，以后给学生的教材略去了广义探索这一块，都从推导和分析方程讲起了。于是就有人认为:上面说的这是力学圈的情况。这个很晚了，是在无量纲化已经成了其它某些早发展的理性学科的常用手段之后的事情。包括量纲分析这个想法也是在力学上搞出来的，实际上对于大部分做物理的，并不使用量纲析的思路了？对于实际情况在那些熟门熟路的领域里面确实如此，但是人类总是向不同领域进攻的，越是前沿，越没有现成的公式？特别是一大堆跳出书斋又急需处理的工程技术问题，越需要这种手段。它不仅涵盖航空航天航海，微波，材料，天文，而且在生物工程，地质工程应用不断，现代科技每天都出现一些连公式都拿不出耒的没头设脑的难题，已经远远超越NS方程和电动力学几个方程联起未就能解决向题阶段，就是流体方程，也有非牛顿流体，迟豫，松弛，转捩，湍流模型远未搞清楚，电动力学方程一样也有很多没头没脑的问题，还需探究，这些地方量钢分折都是一把好刀。其实，有些有学术成就的人也未必对无量纲化的本质很清楚，比如为了解释麦克尔逊茣雷实验，引入了个变换，洛伦兹本人认为新的波动方程只有尺缩变换，可是他的固体以太的尺缩介释是不对的，经过了一个世纪，越耒越多的发现，洛伦兹坚持的方程实际上是个极度减化的真实小扰动声学方程。用不着尺缩解释，这只是个微分方程的特性，用这个特性加这个变换函数就如同补充线一样是个近似算法而已 (1—M*M)* F,t,t=F,x,x十F,y,y 其中这个F对t二阶导数前的尺缩系数里的M就是无量纲数。 M=V/C，V是运动的速度，C是波速，(光速或音速)。很多中国理论物理名人不会推导这个或不屑于推导这个，但是却敢直接武断的用声光速度大小量级不一样的原由进行否定，也不理会这些方程的无量形式一模一样所意味的含义。牛人就是牛，连起码的知识准则和科研道德都不要了，我们能信他们吗? 其实不妨眼放远点，看看美俄德英人家怎么看？人家许多人却对无量纲方程完全雷同背后的含义很感兴趣，探索不舍，成果不断。大家完全可以不顾名人的名言，有点自己的思考，只有这样，中国科学才能进步; 个人分类: 趣味科普|4748 次阅读|8 个评论

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