壁面结构对流动液膜中孤立波演化影响的数值研究

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液膜流动具有重要的工业应用和学术研究价值。一方面,因其很强的热交换和质交换能力而被广泛应用于能源、化工等领域;另一方面,其也涉及非线性、孤立波和混沌等诸多热点内容。因此,近十几年来吸引了众多学者广泛的研究。同时,深入了解流动液膜的水动力特性,研究壁面结构对液膜中表面波的演化影响,已成为富有挑战性的研究课题。  本文对具有表面张力、不可压缩的粘性流体沿非平整倾斜壁面的流动进行了研究,主要包括以下内容:  (1)建立物理模型,假设液膜参数与基底参数同阶,对控制方程及其边界条件进行无量纲化,用摄动法求解,得到了非平整斜面上流动液膜的厚度方程。  (2)简化非平整倾斜壁面液膜厚度方程,通过行波变换及数值积分,将附边值条件的非线性常微分方程转化成孤立波的特征值问题,然后根据特征关系,绘制流动液膜中孤立波的波形,流线,瞬时流量,自由表面速度分布和迹线的图形。  (3)用一种新方法来研究竖直波纹基底流动液膜中表面波的演化问题,先令壁面函数项等于定值,通过行波变换及傅里叶级数展开将非线性常微分方程转化为非线性代数方程组,利用Mathematica数值求解,最后得到表面波的演化图。结果显示:随着时间的增加,表面波不断的分裂,最终演变为包络驻波。
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